Physiker überzeugen mit ihren Studien in Optik und Photonik

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Femtosekundenlaser-Lithographie in polykristallinem Diamant  © Haissam Hanafi

Femtosekundenlaser-Lithographie in polykristallinem Diamant © Haissam Hanafi

Zwei wissenschaftliche Publikationen von Forscherinnen und Forschern um Physikerin Cornelia Denz gehören nach Angaben der Fachzeitschrift "Optics & Photonics News" zu den weltweit 30 wegweisendsten Arbeiten des Jahres 2019. Die Zeitschrift kürt in ihrer jährlichen Sonderausgabe zum Jahresende die Forschungshöhepunkte des vergangenen Jahres aus den Bereichen Optik und Photonik.

Eine Expertenkommission begutachtete mehr als 90 internationale Studien aus dem Jahr 2019 und wählte daraus die besten Arbeiten aus. Bereits in den vergangenen Jahren war die WWU-Forschergruppe "Nichtlineare Photonik" unter der Leitung von Cornelia Denz am Institut für Angewandte Physik der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) mit mehreren Publikationen in der Liste vertreten gewesen.

über die ausgezeichneten Studien:

Photonischer Chip in Diamant

In einer der hervorgehobenen Studien arbeitete Haissam Hanafi mit Nanophysikern aus der WWU-Arbeitsgruppe um Wolfram Pernice zusammen, die neuartige Diamantmaterialien herstellen. Gemeinsam zeigten sie einen innovativen Ansatz, um sogenanntes polykristallines Diamant auf der Mikrometerskala zu strukturieren. Auf diese Weise entstanden dreidimensionale integrierte photonische Schaltkreise, die sich durch eine effiziente Lichtführung auszeichnen.

Diamant hat neben seiner bekannten mechanischen Härte auch außergewöhnliche optische Eigenschaften. Besonders im Bereich der Quantentechnologie wird das „Wundermaterial“ als Zugpferd für die zweite Quantenrevolution angesehen - dazu gehört es zum Beispiel, die Zustände einzelner Quantenteilchen und ihrer Wechselwirkungen miteinander zu erforschen. Bisher etablierte Methoden der Strukturierung von Diamant waren jedoch auf einfache planare Anordnungen beschränkt.

Die Kombination aus dem gut verfügbaren polykristallinen Diamant mit seinen besonderen optischen Eigenschaften und der dreidimensionalen Strukturierung von ultrakurzen Laserstrahlen führte in der Studie zu dem photonischen Wellenleiter-Chip, der für weitere Entdeckungen in der nichtlinearen Photonik, Optoelektronik und der Quantenoptik von großer Bedeutung sein kann - im Speziellen für die Entwicklung von komplexen dreidimensionalen Quantennetzwerken auf Basis von Diamant. Ein weiterer Partner in der Studie war das Freiburger Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik.

Maßgeschneiderte Laserstrahlen

In der zweiten ausgezeichneten Studie transferierte Dr. Alessandro Zannotti mit einer Forschergruppe der Universität Belgrad den Effekt der sogenannten diskreten Beugung erstmals in innovative nichtlineare Beugungsgitter, die dynamisch ihre Beugungseigenschaften ändern können.

Zum Hintergrund: Bei der Beugung wird Licht aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt, zum Beispiel durch den Durchgang durch eine Blendenöffnung. Obwohl funktionale, diskrete Materialien seit Langem in der Optik unabdingbar sind, zum Beispiel in Form von Gittern in durchstimmbaren Lasern, also Lasern, deren Wellenlängen innerhalb eines bestimmten Bereichs weitgehend kontinuierlich variiert werden können, sind sie für viele Aufgaben zu statisch.

Bereits in der Vergangenheit nutzten die Forscher Laserstrahlen mit elliptisch geformten Intensitätslinien (Mathieustrahlen), um bestimmte Materialeigenschaften herzustellen. In dieser Forschung benutzten sie Lichtfelder, um die Materialeigenschaften dynamisch zu schalten. Diese neuen Effekte lassen sich zur Herstellung nichtlinearer Schalter, zum Beispiel für die Herstellung von Lasern oder in der Sensorik, benutzen.

Originalpublikationen:

H. Hanafi, S. Kroesen, G. Lewes-Malandrakis, C. Nebel, W. H. P. Pernice, C. Denz, „Polycrystalline diamond photonic waveguides realized by femtosecond laser lithography”, Optical Materials Express 9, 3109-3114 (2019).

A. Zannotti, J. M. Vasiljeviä’, D. V. Timotijeviä’, D. M. Joviä? Saviä’, C. Denz, „Morphing discrete diffraction in nonlinear Mathieu lattices” Optics Letters 44, 1592-1595 (2019).

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