Ultraschnelle Nano-Optik

Lokalisierung von Licht

Photonen gelten als sehr flüchtige Teilchen. Treffen sie auf Materie, werden sie entweder absorbiert, reflektiert oder gebrochen. Im Falle von Solarzellen, bei denen die Photonenenergie in elektrischen Strom umgewandelt werden soll, ist insbesondere die direkte Reflektion unerwünscht, da sie die Solarzellen ineffizient macht. Eine erhöhte Effizienz lässt sich jedoch beispielsweise durch aufgeraute Solarzellen erreichen, bei denen das Licht durch Vielfachreflektion gezwungen wird, immer wieder mit der Solarzelle zu interagieren [1].

In diesem Projekt untersuchen wir diese Wechselwirkung von Licht in zufällig angeordneten, zweidimensionalen Nadelstrukturen aus dem Halbleitermaterial Zinkoxid. Durch die Nadelstruktur wird das einfallende Licht im Zinkoxid "lokalisiert", d.h. gespeichert, bevor es dann wieder als Licht abgestrahlt wird. Dabei wird neben der räumlichen Lokalisierung auch erstmals die Zeitdauer der Lokalisierung untersucht. Diese spielt sich auf sehr kurzen Zeitskalen von wenigen Femtosekunden ab, so dass die Vielfachstreuung bisher nur indirekt untersucht wurde [2].

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In der nebenstehenden Abbildung ist in (a) der experimentelle Aufbau skizziert. Dispersionskompensierte, 6-fs kurze Laserpulse aus einem Ti:Saphir-Laseroszillator werden über ein Schwarzschildobjektiv auf den Nadelwald aus 30 nm dicken, 500 nm langen ZnO-Nadeln fokussiert. Die Pulsdauer der Pulse von 6 fs bleibt im beugungsbegrenzten Fokus des Objektives von 1 µm erhalten. Die an der ZnO-Grenzfläche erzeugte zweite Harmonische, die als Maß für das lokale elektrische Feld gilt, wird in Rückreflektion als Funktion des Laserfokus auf der ZnO-Probe mit einem Spektrometer detektiert. So lässt sich eine zweidimensionale Karte der zweiten Harmonischen erstellen, die auf starke Fluktuationen des lokalen elektrischen Feldes schließen lässt (b).

Mittels eines eingebauten Mach-Zehnder-Interferometers lässt sich weiterhin die Zeitstruktur der aus dem Nadelwald emittierten Lichtpulse bestimmen. Diese sind gegenüber den einfallenden Laserpulsen zeitlich deutlich verlängert (c). Vergleiche mit theoretischen Modellen sowie 3-dimensionalen FDTD-Simulationen zeigen, dass das Licht in der Tat Anzeichen von schwacher Lokalisierung zeigt [3].

Mit diesem neuartigen Mikroskop-Aufbau sind wir also in der Lage, die raumzeitliche Entwicklung von elektromagnetischen Feldern auf einer Zeitskala von wenigen Femtosekunden und einer räumlichen Skala von weniger als einem Mikrometer zu beobachten.

In der Zukunft wollen wir uns unter anderem weiter der Beobachtung von Lokalisierung in Nanostrukturen unterschiedlichster Form sowie Propagation von lichtinduzierten Oberflächen-Plasmon-Polaritonen widmen.

[1] C. Rockstuhl et al., Appl. Phys. Lett. 91, 171104 (2007)

[2] D. Wiersma et al., Nature 390, 671-673 (1997)

[3] M. Mascheck et al. Nature Photonics 6, 293-298 (2012)

Projektmitarbeiter:

Manfred Mascheck, Slawa Schmidt, Heiko Kollmann, Dr. Martin Silies

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