Kontrolliertes Kristallwachstum für bessere Glasmaterialien
Dank seiner speziellen linearen und nicht-linearen optischen Eigenschaften weckt nun Glas mit metallischen Nanopartikeln das Interesse hinsichtlich potenzieller Anwendungen in der Photonik. Bestimmend für diese Eigenschaften sind die Oberflächenplasmaschwingungen der Metallcluster, deren Resonanz eng mit Konzentration, Verteilung und Form der Nanopartikel zusammenhängt. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die umgebende dielektrische Matrix, die sich auf die Bewegung von elektrischer und magnetischer Energie auswirkt. Die Optimierung von Glasmaterialien durch Manipulation der nanostrukturellen Eigenschaften könnte die Entwicklung und Produktion von nicht-linearen Materialien, Nanogeräten und optischen Elementen fördern. Einen gangbaren Weg hierfür bieten Lasertechniken, mit denen sich Form und Größe der Metallcluster verändern lassen. Diese haben sich bereits als ein leistungsfähiges und flexibles Werkzeug zur Kontrolle und Optimierung linearer sowie nicht-linearer optischer Eigenschaften von Verbundwerkstoffen herausgestellt. Dabei werden die optischen Eigenschaften des Materials durch die kontrollierte Verteilung der Nanopartikel in der Glasmatrix festgelegt. Die Forscher erhoffen sich, mit dem Femtosekundenlaser (FSL) dieses Potenzial ausnutzen zu können. Mit dem Projekt Femtonano ("Femtosecond laser induced nanoclusters in glasses for photonic applications") sollten die Kenntnisse in diesem Bereich verbessert werden, indem man Licht-Materie-Wechselwirkung und insbesondere Multiphotonenprozesse untersuchte. Für die Entwicklung neuer optischer Geräte, die auf der Beherrschung von Nanopartikeln aufbauen, ist dies besonders wichtig. Im Rahmen des EU-geförderten Projekts wollte man besser verstehen, wie sich metallische Nanostrukturen in Glasmaterialien bilden; außerdem suchte man nach einem Weg, wie Form und Verteilung des Nanoclusters innerhalb der dielektrischen Matrix manipuliert werden können. Femtosekundenpulse haben hinsichtlich der raumselektiven, mikroskopischen Bearbeitung und der Bildung von dreidimensional modifizierten Mikrostrukturen viel zu bieten. FSL-Verarbeitung wird bereits für die Herstellung verschiedener Arten von integrierten, funktionellen optischen Geräten eingesetzt, etwa von optischen Wellenleitern auf 3D-Basis, optischen Speichern und photonischen Kristallen. Bei ihren Untersuchungen von FSL-induzierten Nanoclustern in Glas für photonische Anwendungen konnten die Teammitglieder einen möglichen Mechanismus für das Formen von Nanoclustern vorschlagen und ihr Wissen über den Einfluss der Laserstrahlungsbedingungen auf das Verhalten dieser Nanocluster erweitern. Experimente zeigten die durch FSL-Bestrahlung induzierten Spannungsfelder auf und ermöglichten es den Forschern, Effekte unterschiedlicher Intensität und Schreibrichtung zu ermitteln. Im Rahmen von Femtonano konnten mit FSL-Bestrahlung kristalline Linien innerhalb von Mehrkomponenten-Quarzglas geschrieben und das Laserbearbeitungsfenster sowie die Zusammensetzung der Wirtsmatrix des Glases festgestellt werden. Die Kristallisationstechnik bildet die Grundlage für Bemühungen um 3D-optische Speicher, integrierte Festkörperdisplays und vielleicht sogar um integrierte optisch-elektronische Geräte. Eine Definition, die aufzeigt, wie man eine einfache Kontrolle des Kristallwachstums innerhalb von Glas erreichen kann, muss noch erstellt werden. Die Femtonano-Partner wollen ihre Bemühungen in diese Richtung auch über den Rahmen des Projekts weiterführen.
