Elektromagnetische Kopplung und Wellenleitung in Metamaterialien untersucht mit Terahertz Nahfeld-Mikroskopie
Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurden die Auswirkungen der elektrischen und magnetischen Kopplung zwischen den Substrukturen in Metamaterialoberflächen untersucht. Bei geeigneter Wahl der Strukturen und deren Anordnung zueinander können Fano-Resonanzen angeregt werden, deren spektrales Profil sich etwa durch den Abstand zueinander, und damit durch die Stärke der Kopplung, kontrolliert beeinflussen lässt. Diese Fano- Resonanzen wurden in Arrays von gestapelten Split-Ring-Resonatoren (SRRs) und von Asymmetrischen Split-Ringen (ASRs) mit Hilfe der THz-Nahfeldmikroskopie untersucht. Aufgrund der starken Kopplung ist es möglich kollektive Moden in der Metamaterialoberfläche anzuregen, wodurch neue Funktionalitäten erreicht werden können. Als Beispiel konnten wir eine wellenvektor-selektive Oberfläche bestehend aus periodisch angeordneten ASR-Strukturen demonstrieren. Diese Oberflächen repräsentieren neuartige optische Komponenten mit ungewöhnlichen optischen Eigenschaften. Die Wellenleitung in Metamaterialien wurde von uns in neuartigen Metamaterial(MM)-Fasern untersucht. Mit diesen aus regelmäßig angeordneten homogenen Mikrodrähten bestehenden „Draht-Medien“ (wire media) können räumliche Feldverteilungen nahezu verzerrungsfrei übertragen werden. Insbesondere werden auch evaneszente Felder propagiert, die sich in herkömmlichen Dielektrika nicht ausbreiten können, jedoch die wichtigen Informationen über subwellenlängen-große räumliche Details beinhalten. Dadurch wird eine nahezu „perfekte“ Bildgebung über Distanzen von vielen Wellenlängen möglich. Potenzielle Anwendungen zur endoskopischen Bildgebung bei THz-Frequenzen und möglicher Weise auch bei noch höheren Frequenzen bis in das nahe Infrarot sind denkbar. Zur kontrollierten Erfassung der THz-Felder und deren räumliche Strukturen wurde ein bestehendes THz-Nahfeldmikroskopie-System weiter optimiert und angepasst zur Untersuchung von propagierenden Feldverteilungen im Raum, sowie von Feldern am Ende von wellenleitenden Fasern, wodurch im Rahmen dieser Projekte eine hochwertige Messumgebung entstand.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Metamaterial fibres for subdiffraction imaging and focusing at terahertz frequencies over optically long distances", Nature Comm., 4, 2706 (2013)
A. Tuniz, K. Kaltenecker, B.M. Fischer, M. Walther, S.C. Fleming, A. Argyros, and B. Kuhlmey
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms3706) - ”Fano line shape and phase reversal in a split-ring resonator based metamaterial”, Physical Review B 88, 195118 (2013)
J. Wallauer and M. Walther
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.195118) - "Wavevector Selective Metasurfaces and Tunnel Vision Filters", Nature | Light: Science & Applications, 4, e306 (2015)
V.A. Fedotov, J. Wallauer, M. Walther, M. Perino, N. Papasimakis, and N. I. Zheludev
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/lsa.2015.79) - "Gouy phase shift of a tightly focussed radially polarized beam", Optica, 3(1), 35-41 (2016)
K.J. Kaltenecker, J.C. König-Otto, M. Mittendorff, S. Winnerl, H. Schneider, M. Helm, H. Helm, M. Walther, and B.M. Fischer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OPTICA.3.000035) - „Ultrabroadband perfect imaging in terahertz wire media using single-cycle pulses“. Optica Vol. 3, Issue 5, pp. 458-464 (2016)
K.J. Kaltenecker, M. Walther, A. Tuniz, S.C. Fleming, A. Argyros, B.T. Kuhlmey, and B.M. Fischer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OPTICA.3.000458)
