Manipulation von Moden höherer Ordnung mittels Metastrukturen auf optischen Fasern für Anwendungen in der nichtlinearen Frequenzkonversion

• Antragsteller: Professor Dr. Markus A. Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 515003543

Fasermoden höherer Ordnung („higher-order modes“, HOMs) haben aufgrund ihres Potenzials in hochaktuellen Wissenschaftsbereichen große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Eines dieser Gebiete ist die nichtlineare Frequenzkonversion, in welchem HOMs beispielsweise Zugang zu schwer erreichbaren Dispersionslandschaften oder die Erforschung bisher unzugänglicher nichtlinearer Effekte ermöglichen. Die zentrale Herausforderung besteht hier in der effizienten Anregung oder Umwandlung der HOMs, um eine höchstmögliche Modenreinheit zu erreichen oder ausschließlich eine gewünschte Mode anzuregen. Geringste Abweichungen in den modalen Eigenschaften können zu falschen Ergebnissen führen, was eine präzise Kontrolle der Strahleigenschaften unabdingbar macht. Ein hochaktueller Ansatz zur Strahlformung beruht auf dielektrischen Nanostrukturen. In Bezug zu diesem Projekt sind Hologramme und Metaflächen relevant, welche beide eine Formung von Intensitäts- und Phasenprofilen ermöglichen, wobei Metaflächen zusätzlich die Polarisation kontrollieren können. Die Kombination von dielektrischen Nanostrukturen und optischen Fasern ermöglicht somit prinzipiell eine einzigartige Kontrolle über HOMs im Hinblick auf faserbasierte nichtlineare Frequenzumwandlung. Das vorgeschlagene Projekt widmet sich dielektrischen Metastrukturen, welche auf Faserendflächen realisiert wurden und im Rahmen der HOM-basierten ultraschnellen nichtlinearen Frequenzumwandlung verwendet werden. Die einzigartigen Strahlformungseigenschaften von Hologrammen und Metaoberflächen werden hier ausgenutzt, um optische Strahlen in Bezug auf Intensität, Phase und Polarisation zu formen und umzuwandeln. Anwendung findet dies im Projekt bei zwei nichtlinearen Effekten, nämlich bei der Erzeugung der dritten Harmonischen (THG) und der Superkontinuumsgeneration (SCG). Neben der Intensität ist hier entscheidend die Formung von Phase und Polarisation, die das elektrische Feld direkt manipulieren im Gegensatz zu rein intensitätsmodulierenden Konzepten. Die THG-Experimente befassen sich mit der Umwandlung komplexer phasenangepasster HOMs bei sichtbaren Wellenlängen in linear polarisierte Strahlen mit Gaußprofil. Weiterhin werden Metastrukturen für die breitbandige SCG in gewünschten HOMs mit komplexen Polarisationsverteilungen eingesetzt. Das Projekt umfasst Design, Simulation, Implementierung und optische Charakterisierung, wobei zur Realisierung der Metastrukturen auf Faserendflächen zwei am Institut des Antragstellers etablierte und erfolgreich eingesetzte Methoden (3D-Nanodruck, modifizierte Elektronenstrahllithographie) angewandt werden. Insgesamt definiert das Projekt eine neuartige photonische Plattform, die nicht nur ein neues Anwendungsfeld für Metastrukturen – metastruktur-gestützte nichtlineare Faserphotonik - eröffnet, sondern auch die Untersuchung von ansonsten schwer zugänglichen nichtlinearen Effekten in Fasern mit Anwendung in einer Vielzahl von hochaktuellen Bereichen ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen