Plasmonen-Drag-Effekt auf Basis metallischer Nanodrähte in optischen Fasern: Grundlagen und optoelektronische Aspekte
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projekts war es, die physikalischen Grundlagen des Plasmonen-Widerstandseffekts (engl. plasmon drag effect (PDE)) aus experimenteller Sicht mittels einer Wellenleiterstruktur zu erforschen und das Potenzial dieses Effekts im Hinblick auf Anwendungen in Bezug zu optoelektronischen Detektion zu bewerten. Der PDE-Effekt basiert grundsätzlich auf einer Übertragung eines Teils des Photonenimpulses auf Elektronen, welche sich in einem Metall oder Halbleiter befinden, bei nicht-senkrechten Lichteinfall. Für diese Untersuchungen wurden einerseits Nanodraht-funktionalisierte Fasern und Multischicht-Fasertaper mittels verschiedener Herstellungsverfahren (z.B. Beschichtung, Druck-assistierte Schmelzbefüllung) realisiert. Interessanterweise zeigten letztere eine ausgeprägte spektrale Verschiebung der Plasmoneninduzierten Transmissionsdips bei Stromdurchfluss, was letztendlich auf die starke thermo-optische Antwort des hybriden Wellenleitersystem zurückzuführen war. Zusätzlich wurden die vorhandenen optischen Aufbauten um hochsensitive Detektionseinheiten ergänzt, welche sehr niedrige Rauschlevels aufwiesen. Als Vergleichssystem wurden neben der eigentlichen plasmonischen Faser auch Fasern realisiert, welche Germanium-Nanodrähte beinhalteten. An diesen Proben wurde die niederohmige elektrische Kontaktierung – ein zentraler Aspekt in dem Projekt – ausgiebig getestet und es konnte erfolgreich ein Fotostrom, also eine optoelektronische Detektion, nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu konnte weder in der plasmonischen Nanodraht- Proben wie auch in den Multischicht-Fasertapersystemen der PDE-Effekt zweifelsfrei nachgewiesen werden. Hierbei ist anzumerken, dann auch eine exakte Reproduktion der Experimente einer der wesentlichen Literaturstellen auch keinen Hinweis auf den Effekt lieferte. Der gemessene Strom konnte mittels zeitaufgelösten Messungen eindeutig thermischen Effekten zugeordnet werden. Somit lässt sich nach den umfangreichen Studien konstatieren, dass die in der Literatur angeführten Ansprüche (engl. claims) bzgl. des PDE-Effekt als zweifel- und zumindest teilweise als fehlerhaft einzustufen sind. Im Projekt konnte der Wissensstand zur Abscheidung von dielektrischen Nanofilmen und weiteren Materialen auf den Kernen von optischen Fasern wesentlich erweitert werden. Dieses Wissen wurde in weiteren Projekten sehr erfolgreich eingesetzt und hat zu hochkarätigen Publikationen geführt. Hervorzuheben sind die folgenden Resultate bzgl. der Kontrolle der nichtlinearen Pulspropagation mittels Wellenleiter-Resonanzen, welche sich durch Nanofilme auf Faserkernen ergeben und Experimente zur Abscheidung von 2D-Materialien auf Fasern mit offenen Kernen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Electric current-driven spectral tunability of surface plasmon polaritons in gold coated tapered fibers. 2018 AIP Adv. 8 95113
Tilman Lühder, Torsten Wieduwilt, Henrik Schneidewind, and Markus A. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5046991) - All-fiber Integrated In-line Semiconductor Photoconductor. 2019 J. Lightw. Tech. 37 3244
T. Lühder, J. Plentz, J. Kobelke, K. Wondraczek and M. A. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/JLT.2019.2913561) - Convectionless directional solidification in an extremely confined sample geometry. 2019 Materalia 8 100457
Klemens Reuther, Martin Seyring, Markus A. Schmidt, Markus Rettenmayr
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.mtla.2019.100457) - Resonance-induced dispersion tuning for tailoring nonsolitonic radiation via nano-films in exposed core fibers. 2020 Laser Photon. Rev. 1900418
Tilman A. K. Lühder, Kay Schaarschmidt, Sebastian Goerke, Erik P. Schartner, Heike Ebendorff-Heidepriem, Markus A. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/lpor.201900418) - Scalable functionalization of optical fibers using atomically thin semiconductors. 2020 Adv. Mater. 2003826
Ngo GQ, George A, Schock RTK, Tuniz A, Najafidehaghani E, Gan Z, Geib NC, Bucher T, Knopf H, Saravi S, Neumann C, Lühder T, Schartner EP, Warren-Smith SC, Ebendorff-Heidepriem H, Pertsch T, Schmidt MA, Turchanin A, Eilenberger F
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.202003826) - Longitudinally thickness-controlled nanofilms on exposed core fibres enabling spectrally flattened supercontinuum generation. 2021 Light Adv. Manu. 2 21
Tilman A. K. Lühder, Henrik Schneidewind, Erik P. Schartner, Heike EbendorffHeidepriem and Markus A. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.37188/lam.2021.021) - Tailored Multi-Color Dispersive Wave Formation in Quasi-Phase-Matched xposed Core Fibers. 2022 Adv. Sci. 2103864
Tilman A. K. Lühder, Mario Chemnitz, Henrik Schneidewind, Erik P. Schartner, Heike Ebendorff-Heidepriem, Markus A. Schmidt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/advs.202103864)
