Maßgeschneiderte ultraschnelle Superkontinuumsgeneration in invers entworfenen Wellenleitern unter Einsatz von maschinellem Lernen und 3D-Nanodrucktechnologie

• Antragstellerin: Dr. Xue Qi
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503264738

Superkontinuumsquellen vereinen, wie kaum eine andere Lichtquelle, eine große Bandbreite, eine hohe räumlicher Kohärenz wie auch eine extreme spektrale Helligkeit und sind als Lichtquellen für spektroskopische Anwendungen in den Lebenswissenschaften sehr gefragt. Dennoch decken Superkontinuumsspektren oft mehr als den geforderten Spektralbereich ab, wodurch ein Großteil ihrer Energie ungenutzt bleibt. Anwendungsspezifisch einstellbare Superkontinuumsgeneration mit variablen spektralen Eigenschaften erscheint deshalb für spektroskopische Anwendungen sehr attraktiv. Bekanntlich liegt der Schlüssel zu maßgeschneiderter Superkontinuumsgeneration im Dispersionsmanagement von nichtlinearen Wellenleitern oder in der direkten Kontrolle der ultrakurzen Eingangspulse. Da die zweite Methode nur eingeschränkte Variationsmöglichkeiten zulässt und nur die Anfangsphase der Superkontinuumsgeneration beeinflusst, ist das Dispersionsmanagement die vielversprechendere Strategie für anwendungsspezifische Superkontinuumsgeneration.Das Hauptziel des Projektes „Maßgeschneiderte ultraschnelle Superkontinuumsgeneration in invers entworfenen Wellenleitern unter Einsatz von maschinellem Lernen und 3D-Nanodrucktechnologie” ist es, maßgeschneiderte Superkontinua durch axiales Dispersionsmanagement von Wellenleitern zu erzeugen. Der Wellenleiter besteht homogen aus Glas oder Polymer oder einem Hybrid aus Glas/Flüssigkeit und Polymer. Dabei gibt das gewünschte Ausgangsspektrum das Design des longitudinalen Dispersionsprofils vor, welches mithilfe von maschinellem Lernen (basierend auf neuronalen Netzwerken und/oder genetischen Algorithmen) für festgelegte Eingangspulsparameter invers entworfen wird. Das speziell designte Dispersionsprofil wird experimentell durch sub-Mikrometer-genaue Durchmessermodulationen der Wellenleiter umgesetzt, was ohne die Verwendung von 3D-Nanodrucktechnologie nur schwer umzusetzen wäre. Auf dieser neunen photonischen Plattform ist dank der hohen Flexibilität bei Entwurf und Fabrikation eine neue Komplexität der Superkonitnuumsgeneration zu erwarten. Die Methode des inversen Designs ermöglicht es das optimale Dispersionsprofil für ein gefordertes Ausgangsspektrum zu finden, welches beispielsweise bestimmte Wellenbänder abdeckt oder andere beliebige anwendungsspezifische spektrale Anforderungen erfüllt. Zusammenfassend wird in diesem Projekt ein direkt umsetzbares Verfahren zur flexiblen Superkontinuumsgeneration entwickelt, mit dem sich maßgeschneiderte Spektren mit optimierter spektraler Form und Dichte für viele spektroskopische Anwendungen erzeugen lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen