Mikroskopisch kleine optische Strukturen per 3D Lithographie.

 (in Bearbeitung)

Neuartige photonische Bauteile nutzen typischerweise neue physikalische Konzepte oder erweiterte Herstellungsmöglichkeiten für bereits bekannte Methoden wie zur Lichtführung bzw. -Manipulation aus, um spezielle, wünschenswerte optische Eigenschaften bzw. Effekte zu erlangen. Die Forschungsgebiete Nano- und Quanten-Photonik bedienen sich nicht selten jener Konzepte und Herstellungsmöglichkeiten zur Gestaltung und Demonstration geeigneter Bauelemente, die beispielsweise in integrierten optischen Schaltkreisen oder miniaturisierten Lichtbauteilen Anwendung finden können. Insbesondere können Untersuchungen zu Licht-Materie-Wechselwirkungen von speziell angepassten optischen Strukturen profitieren.

Nanogedruckte optische Mikrokomponenten:

Im Rahmen kooperativer Forschungsarbeiten befassen wir uns unter anderem mit der Entwicklung maßgeschneiderter photonischer Strukturen, die per 3D-Nanodruck hergestellt werden können. Unsere durch einen Zweiphotonen-Lithographieprozess geschriebenen Mikrokomponenten sind aus wissenschaftlichen Vorarbeiten an der Nanodruck-Einrichtung des „MiNa-Labors“ Gießen (I. Physikalisches Institut, AG Klar) stetig weiterentwickelt worden. Numerischen Berechnungen zu optischen Resonanzen und Eigenschaften unterstützen dabei die Konzpetion mikroskaliger Polymeroptiken auf geeigneten Substraten. Darunter fallen gedruckte Mikrokavitäten, Komponenten für Mikrokavitäten, Metamaterialien und auch strukturierte Oberflächen – wie beispielsweise die sogenannten Metaoberflächen – für sichtbares und infrarotes Licht bis hin zum THz Spektralbereit, je nach Anwendungsbedarf und Forschungsziel.

Einstellbare Polymeroptiken für die Licht-Materie-Kopplung:

Die Strukturgestaltung und Realisierung im 3D Druck auf Nano- und Mikroskalen verfolgen wir mit dem Ziel, die Licht-Materie-Wechselwirkungen maßzuschneidern, wie sie für Experimente mit beispielseweise Quantenpunkten, Molekülen oder 2D Quantenmaterialien als aktives Medium vorteilhaft wäre. Dazu ist im Sinne eines räumlichen und energetischen Überlapps in der Regel einerseits eine kontrollierte Strahlführung bzw. Resonanzbedingung und andererseits eine hohe Lichtkonzentration bzw. ein einstellbares Intensitätsprofil erwünscht. Da komplexe photonische Strukturen oft außergewöhnliche Geometrien und dreidimensionale Gestalten erfordern, welche mit herkömmlicher Lithographie kaum erzielbar scheinen, eröffnet die LASER-gestützte Zweiphotonenabsorption in transparenten Fotolacken einen Zugang zu feingeschriebenen 3D Formen für optische Funktionalitäten. Im letzten Jahrzehnt wurden in der Fachliteratur viele spannende Entwicklungen und beeindruckende Druckerzeugnisse berichtet.

Zwischen Ingenieursleistungen und Grundlagenforschung:

Je nach Strukturart und Bauteildimensionen sowie Anforderungen an die optischen Komponenten können üblicherweise die technischen Grenzen so einer Herstellungsmethode mit derzeit typischerweise submikrometer Schreibpräzision für bestimmte Vorhaben mal schneller, mal weniger schnell erreicht werden. Auch mögen in Hinblick auf erzielbare optische Komponenten die Materialeigenschaften der druckbaren Fotolacke ausreichend Berücksichtigung finden. 

Auf Basis eigener Erfahrungen und geduldsamer Versuchsreihen haben wir bereits Konzepte umgesetzt und Erzeugnisse optisch untersucht. Unsere Entwicklungsbemühungen bauen darauf, dass wir sowohl mittels der Wirkungsweise des Herstellungsverfahrens und der Strukturanforderungen die relevanten Schreibparameter optimieren als auch in Machbarkeitsstudien den Gestaltungsspielraum erproben. Dabei bleiben die Zielwellenlängen und gewünschten Eigenschaften stets im Blick. Auch können uns computergestützte Optimierungsalgorithmen bei unserer experimentellen Forschungsarbeit unterstützen, so dass die Leistungsfähigkeit des Herstellungsverfahrens für photonische Strukturen verstärkt ausgeschöpft werden kann.

Wichtig ist für unsere Studien, mittels optischer Mikroskopie sowie Rasterelektronenmikroskopie die Erzeugnisse zu charakterisieren und damit eine Feedbackroutine innerhalb der Produktionszyklen von Teststrukturen zu ermöglichen. Parallel ermöglicht die optische Spektroskopie der Mikrostrukturen, Signaturen resonanter, verstimmbarer Photonikbauelemente zu erkennen und zu analysieren.

Auf dem Weg zu praktischen Anwendungen:

Erkenntnisse aus der Forschung zum 3D-Nanodruck photonischer Mikrostrukturen lassen technische Innovationen erhoffen, die erwartungsgemäß zukünftig in industrielle und wissenschaftliche Anwendungen fließen könnten. Während üblicherweise Limitationen einer bestimmten Herstellungsmethode kaum vermieden werden können, sind die Vorteile nanogedruckter optischer Komponenten für den Einsatz in zukünftigen, noch leistungsfähigeren Bauelementen und ihre Anwendung als maßgeschneiderte Komponenten beispielsweise in der Quantenphotonik bereits zu erahnen, darunter mit einstellbaren optischen Eigenschaften bzw. Funktionalitäten.

Gießen, März 2023, Arash Rahimi-Iman

Abbildungen:

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Ausgewählte Referenzen:

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[1] C. C. Palekar, M. Shah, S. Reitzenstein, A. Rahimi-Iman (2023): Development of Polymer/Air-Bragg Optical Microstructure Configurations for Nanophotonic Applications, arXiv:2302.04315
(https://arxiv.org/abs/2302.04315).

[2] C. C. Palekar & A. Rahimi-Iman (2021): Tunable Polymer/Air-Bragg Optical Microcavity Configurations for Controllable Light–Matter Interaction Scenarios, Phys. Status Solidi RRL 15(7), 2100182
(https://doi.org/10.1002/pssr.202100182 OpenAccess).

[3] O. Mey, F. Wall, L. M. Schneider, D. Günder, F. Walla, A. Soltani, H. Roskos, N. Yao, P. Qing, W. Fang, A. Rahimi-Iman (2019): Enhancement of the Monolayer WS₂ Exciton Photoluminescence with a 2D-Material/Air/GaP In-Plane Microcavity, ACS Nano 13(5), 5259–5267
(https://doi.org/10.1021/acsnano.8b09659 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/1812.10286).

[4] F. Wall, O. Mey, L. M. Schneider, A. Rahimi-Iman (2020): Continuously-Tunable Light–Matter Coupling in Optical Microcavities with 2D Semiconductors,
Sci. Rep. 10, 8303 (https://doi.org/10.1038/s41598-020-64909-1 OpenAccess).

[5] O. Mey & A. Rahimi-Iman (2021): Machine Learning-Based Optimization of Chiral Photonic Nanostructures: Evolution- and Neural Network-Based Design, Phys. Status Solidi RRL 202100571, arXiv:2111.06272v1
(https://doi.org/10.1002/pssr.202100571 OpenAccess).