Lichtkäfige treffen Metasurfaces: On-Chip-Anwendungen mit chiralem Licht durch direktes Laserschreiben

• Antragsteller: Professor Dr. Markus A. Schmidt; Professor Leonardo de Souza Menezes, Ph.D., seit 1/2024
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500262769

Aufgrund einzigartiger physikalischer und anwendungsbezogener Eigenschaften stellt verdrilltes (chirales) Licht mit sowohl Spin als auch Bahndrehimpuls ein hochaktuelles Forschungsgebiet dar. Diesbezüglich zeigen verdrillte optische Fasern interessante Phänomene wie helikale Bloch-Moden oder starken zirkularen Dichroismus, wobei die erreichten Verdrillungsraten gering sind und somit nur einen kleinen, störungstheoretischen Einfluss auf die Bildung der Moden haben. Hinsichtlich Wellenfrontformung ermöglichen geometrische Metasurfaces Kontrolle über Orbitaldrehimpuls-Zustände, leiden aber oft unter Problemen wie beispielsweise dem Übersprechen bei Multiplexing-Anwendungen.Ein kürzlich eingeführtes Implementierungsverfahren für komplexe photonische Strukturen ist das 3D-Nanodrucken mittels Direktem Laserschreiben (DLS), welches einzigartige Vorteile für die Realisierung von Wellenleitern und Metasurfaces bietet. Hier wurden neuartige On-Chip-Hohlkern-Wellenleiter - sogenannte Lichtkäfige - und Metasurfaces mit einem bisher nicht genutzten Freiheitsgrad (die Höhe der Einzelelemente) von den Antragstellern gemeinsam demonstriert.Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, die Erzeugung, Führung und Manipulation von Licht zu erforschen, welches mit nanogedruckten verdrehten photonischen Strukturen wie verdrillten Lichtkäfigen, chiralen Metasurfaces und deren Kombination, interagiert. Das Projekt zielt darauf ab, (i) die Eigenschaften von Licht zu verstehen, das sich in verdrillten Lichtkäfigen ausbreitet und über chirale Metasurfaces gesteuert wird, (ii) das Potenzial von DLS zur Realisierung verdrillter funktionaler photonischer Strukturen zu erschließen und (iii) zu evaluieren, ob die Kombination von chiralen Metasurfaces und verdrehten Lichtkäfigen eine neuartige photonische Plattform definiert, um bisher unzugängliche Physik und Anwendungen zu erschließen. Beispielsweise ermöglicht DLS die Realisierung von Lichtkäfigen mit außergewöhnlich hohen Verdrillungsraten und unerforschten Geometrien. In Bezug auf Metasurfaces ermöglicht DLS unterschiedliche Strukturhöhen und daher Zugang zu einem zusätzlichen Freiheitsgrad: so kann nicht nur die geometrische Phase, sondern auch die Ausbreitungsphase und somit die komplexe Amplitude des Lichts gezielt verändert werden. Zudem lassen sich durch die 3D-Strukturierung mittels DLS auch intrinsisch chirale Einheitszellen realisieren. Weiterhin erlaubt DLS, Metasurface und verdrillte Lichtkäfige in einem einzigen Fertigungsschritt zu kombinieren.Insgesamt wird das Projekt neue physikalische Erkenntnisse zur Erzeugung, Führung und Manipulation von Licht, welches in Wechselwirkung mit verdrillten photonischen Strukturen steht, liefern. Potentielle Anwendungen, welche im Projekt evaluiert werden, stellen die chirale molekulare On-Chip-Sensorik, das OAM-unterstütztes Multiplexing oder die atomare Magnetometrie umfassen dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Stefan Maier, bis 12/2023