Optische Metamaterialien und ihre ungewöhnlichen Eigenschaften
Künstlich hergestellte Metamaterialien haben mit Eigenschaften auf sich aufmerksam gemacht, die bei natürlichen Materialien nicht vorhanden sind. Das beeindruckende Verhalten dieser neuen Klasse elektromagnetischer Materialien ist sowohl in fundamentaler als auch in praktischer Hinsicht von Interesse. Es sind bereits Metamaterialien entwickelt worden, deren lineare Reaktionen für die Herstellung verbesserter Sensoren verwendet werden könnten und die sogar Unsichtbarkeit durch Tarnung ermöglichen. In gleicher Weise könnte Forschungsarbeit an den revolutionären physikalischen Eigenschaften von nichtlinearen Metamaterialien das Feld der nichtlinearen Optik revolutionieren. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts META-PHOT (Light-matter interaction in smart optical materials) untersuchten Forscher den Ursprung und die Gestaltung von Nichlinearitäten, wobei der Fokus auf deren Anwendbarkeit in optischen Geräten lag. Das META-PHOT-Team gestaltete infolge der Interaktion von Licht mit einem ultradünnen Film künstlich strukturierten Materials auf einer konventionellen Materialschicht neue optische Effekte. Bedeutsamer Weise wurde ein neues Konzept bezüglich der Manipulation der lokalen Phase demonstriert, wenn Licht diese auf plasmonischen Nanostrukturen basierende Metaoberfläche passiert. Nanometergroße plasmonische Antennen wurden so angeordnet, dass ein spezieller Polarisationszustand von Licht erzeugt wird, eine zirkulare Polarisation. Auf der Grundlage dieses Nanoantennenentwurfs hing die Brennweite einer ultradünnen Linse von dem Polarisationszustand ab. Hierdurch wurde das optische System leicht rekonfigurierbar. Für ihre Experimente verwendeten die Forscher eine ultradünne Schicht gut abgestimmter plasmonischer Antennen mit einer Dicke, die lediglich einem Bruchteil der angewandten Lichtwellenlänge entspricht. Ein einstellbares Lasersystem ermöglichte die Wellenlänge, die zur Leistungsbewertung und zur Ableitung von Auswahlnachweisregeln für nichtlineare Prozesse in natürlichen Materialien erforderlich ist. Zusätzlich zu der ultradünnen Linse besitzt der neue plasmonische Koppler für elektromagnetische Oberflächenwellen das Potential, Richtwellen entlang der Metaoberfläche zu erregen. Abgesehen von der Möglichkeit einer verbesserten Wechselwirkung von Licht und Materie gibt es viele andere beeindruckende nichtlineare optische Prozesse bei Metaoberflächen, die erforscht werden können. META-PHOT verdeutlichte das Potenzial von individuell angepassten, nichtlinearen Prozessen hinsichtlich der Gestaltung völlig neuer optischer Elemente für nanooptische Geräte, die den Anwendungshorizont erweitern.
Schlüsselbegriffe
Optische Metamaterialien, nichtlineare Optik, META-PHOT, Wechselwirkung von Licht und Materie, nanooptische Geräte
