Entwicklung optisch schaltbarer freistehender Metamaterialien
Adaptive Metamaterialien (MM) sind vor allem für spektroskopische und bildgebende Anwendungen interessant. Durch Einwirkung von Laserlicht sollen die effektiven Parameter des MM verändert werden. So kann z.B. die Resonanzfrequenz verschoben werden oder auch der effektive Brechungsindex durchgestimmt werden.
Ausgehend von kürzlichen Erfolgen in der Fertigung neuer dünner Si-Schicht-basierten THz-Metamaterialien in unserer Arbeitsgruppe sollen nun funktionale Metamaterialien entwickelt werden.
Im Rahmen der Diplomarbeit von Michael Höh wurde bereits ein verlustmodulierter Bandpassfilter entwickelt. Ausgehend von diesem Filter soll ein Frequenz-modulierter Filter entworfen und fabriziert werden.
Abb. 1: (a) Messungen und (b) Simulationen eines optisch schaltbaren Metamaterials [Chen et al., Nature 52, 295 (2008)]
In einem zweiten Schritt sollen modulierbare Gradientenindex-(GRIN)-Optiken entwickelt und hergestellt werden.
Zur Charakterisierung dieser Proben soll ein THz-TDS-Messplatz aufgebaut werden, an welchem es möglich sein soll, durch Verwendung zweier Laser die Probe aktiv zu schalten.
Abb 2: (a) Messungen der THz-Transmission durch den Bandpass für verschiedene Schaltstrahlleistungen. (b) Bild einer hergestellen Metamaterial-Membran
Die Arbeit umfasst:
Optimierung der Fabrikation Si-basierter MM
Fabrikation organischer Halbleiter (NSC) (ggf.)
Aufbau eines THz-TDS-Messplatzes zur optischen Modulation der Proben
Charakterisierung der Schaltbarkeit der Schichten
Fertigung optisch schaltbarer MM-Bandpassfilter
Fertigung optisch schaltbarer GRIN-Optiken
Ansprechpartner:
Prof. Marco Rahm
rahm(at)eit.uni-kl.de
Entwicklung elektrisch schaltbarer freistehender Metamaterialien
Adaptive Metamaterialien (MM) sind vor allem für spektroskopische und bildgebende Anwendung interessant. Durch Anlegen einer äußeren Spannung sollen die effektiven Parameter des MM verändert werden. So kann z.B. die Resonanzfrequenz verschoben oder auch der effektive Brechungsindex durchgestimmt werden. Solche Proben können als variable Frequenzfilter fungieren und so als THz-Modulatoren verwendet werden.
Ausgehend von bereits realisierten elektrisch schaltbaren auf Wafern prozessierten Metamaterialien soll eine freistehende elektrisch schaltbare Membran entwickelt werden. Als weiterer Schritt soll dieses Membran-Design auf bereits realisierte Wellenleiter oder Gradientenindex-Linsen (GRIN) übertragen werden.
Für die Herstellung solcher Proben ist die Fertigung dünner Halbleiterschichten von entscheidender Bedeutung. Hier verfolgen wir verschiedene Ansätze, welche in dieser Arbeit auf die Anwendbarkeit für die MM-Fabrikation geprüft werden sollen.
Abb.3: Realisiertes schaltbares Metamaterial auf einem GaAs-Wafer [Paul et al., Optics Express 17, 819 (2009)]
Die Arbeit umfasst:
- Fabrikation dünner Si-Schichten (NSC)
- Fabrikation organischer Halbleiter (NSC)
- Charakterisierung der elektrischen Kontakte
- Fertigung elektrisch schaltbarer MM-Bandpassfilter
Abb.4: a) Modulation des Zeitsignals durch Anlegen einer Spannung und b) Änderung der Frequenzcharakteristik, [Paul et al. Optics Express 17, 819 (2009)]
Entwicklung einer elektrisch schaltbaren Gradientenindex-Linse bzw. eines Strahldeflektors
Ausgehend von einer bereits realisierten, nicht schaltbaren Gradientenindex-Linse (GRIN-Linse) soll eine elektrisch schaltbare Linse realisiert werden. Der Terahertz-Fokus soll sowohl in Position als auch in Durchmesser durch eine von aussen angelegte Spannung verändert werden können.
Hierzu ist es noetig, in einem ersten Schritt allgemein elektrisch schaltbare Metamaterialien zu designen und in einem in unserer Arbeitsgruppe vorhandenen RTA-Ofen die passenden elektrischen Kontakte herzustellen.
In einem zweiten Schritt sollte dann eine Einheitszellen-Struktur konzipiert werden, welche beim Anlegen einer aeußeren Spannung ihren Brechungsindex aendert. Aus dieser Einheitszelle kann dann ein flächiges Metamaterial aufgebaut werden.
Abb.5: Der ca. 1.4 mm große THz-Strahl (a) propagiert durch die Linse (b). Dadurch, dass die Außenbereiche der Linse aus kleineren Ringen bestehen, ist auch der effektive Brechungsindex kleiner. Durch den Ringdurchmesser wird also der lokale Brechungsindex eingestellt. Das flache Metamaterial wirkt fokussierend und bündelt den einfallenden Strahl auf ca. 220 µm Größe (c). Nach: [Neu et al., Opt. Express 18, 27748-27757 (2011)]
Die Arbeit umfasst:
- Simulation der Linse und ihrer Einheitszellen
- Fabrikation der Linse (NSC)
- Fabrikation der elektrischen Kontakte
- Orts- und frequenzaufgelöste Messung der Feldverteilungen
Abb. 6: Simulation des Brechungsindexes der Einheitszelle der GRIN-Linse. Die Abhängigkeit des Brechungsindex vom Ringradius ist deutlich zu erkennen. Die Transmission ist nahezu 1. [Paul et al., Appl. Phys. Lett. 98, 241110 (2010)]
Ansprechpartner:
Prof. Marco Rahm
rahm(at)eit.uni-kl.de