Nanophotonik in komplexen Medien
Die Streuung und der Transport von Licht durch nanostrukturierte Materialien und Grenzflächen sind in verschiedenen Forschungs- und Technologiebereichen sowie im täglichen Leben von entscheidender Bedeutung. Das Verständnis der komplexen Wechselwirkungen elektromagnetischer Wellen mit Nanostrukturen ist eine Herausforderung, aber unerlässlich für die Weiterentwicklung von Technologien und Produkten in verschiedenen Branchen und für die Beantwortung grundlegender Fragen in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen. Die Untersuchung der Lichtstreuung in geordneten und ungeordneten Medien ermöglicht die Entwicklung von Anwendungen, die von der integrierten Optik und Diagnostik bis hin zu Konsumgütern und Beleuchtungslösungen reichen.
Die Natur mit ihren Streu-, Interferenz- und Beugungsmustern bietet Inspiration für umweltfreundlichere und nachhaltigere Ansätze. Je nach Zusammensetzung der Nanostruktur verwenden wir unterschiedliche Modellierungs- und Simulationstechniken, um optische Eigenschaften zu verstehen und vorherzusagen, und entwickeln optische Aufbauten, um komplexe Systeme experimentell zu charakterisieren. Die folgenden fünf zentralen Forschungsfragen werden in unserer Abteilung untersucht:
1. Lichttransport in komplexen Mehrschichtsystemen
Multilayered films with varying optical properties and thicknesses offer a playground for unique light transport phenomena, such as forbidden wavelengths or artificial optical transparency. These nanostructures, prevalent in nature, can be addressed using the transfer matrix method.
Methode:
Transfermatrix-Methode (PyLlama)
2. Lichttransport in komplexen Medien mit "unabhängigen Streuelementen“
In Medien, in denen einzelne Streuelemente - aus optischer Sicht - voneinander entfernt sind, kann man davon ausgehen, dass die Wechselwirkung zwischen diesen „unabhängigen Streuern“ vernachlässigbar ist. Diese Annahme vereinfacht die relevanten Gleichungen für den Lichttransport, und für ausreichend dicke Proben kann die Monte-Carlo-Methode zur Lösung solcher Probleme verwendet werden.
Methode:
3. Lichtstreuung in komplexen Materialien und an Oberflächen mit "abhängigen Streuelementen“
Resonante Strukturen enthalten stark wechselwirkende Streuer, was die Berechnung sehr komplex macht. Wenn diese Streuer geometrisch nicht überlappen, können die Coupled-Dipole-Theorie (für kleinere Nanopartikel) und die Transition-Matrix-Methode (T-Matrix-Methode) verwendet werden, um ihre Kopplung zu untersuchen und die Lichtstreuung zu quantifizieren. Photonische Kristalle, photonische Metamaterialien, Metaoberflächen und photonisches Glas (ungeordnete photonische Kristalle), deren Periodizität und Parameter die Kontrolle von Polarisation, Reflexion oder Transmission ermöglichen, sind Beispiele für Systeme mit abhängigen Streuern.
Für periodische Strukturen führen bestimmte Vereinfachungen zu analytischen Gleichungen, die ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Physik resonanter Strukturen ermöglichen.
Methoden:
Mie-Theorie, Coupled-Dipole-Theorie, Transition-Matrix-Methode (Treams, Celes), Reticolo
4. Vollwellensimulationen
Obwohl Vollwellensimulationen prinzipiell alle oben genannten Szenarien abdecken können, sind sie mit einem enormen Rechenaufwand verbunden, der für größere ungeordnete Systeme nicht geeignet ist.
Methoden:
Vollwellen-Simulationen (COMSOL Multiphysics®, Ansys Lumerical)
5. Lichttransport und Lichtmanagement in photosynthetischen Organismen
Lichtmanagement ist ein entscheidender Mechanismus für biologische Systeme, die auf Energie aus Photosynthese angewiesen sind. Die Natur hat eine Vielzahl von Mechanismen entwickelt, um das interne Lichtfeld solcher Organismen zu optimieren, einschließlich des Wachstums faszinierender Mikro- und Nanostrukturen. Um den Zusammenhang zwischen Struktur und optischer Funktion zu verstehen, muss das Zusammenspiel von biologischen Mechanismen und optischen Prozessen wie Streuung und Absorption in komplexen lebenden Systemen aufgeklärt werden.
Methoden:
Vollwellen-Simulationen, Monte-Carlo-Simulationen (Theorie)
Transmissions- und Fluoreszenzspektroskopie, Holotomographie, Mikrosensorik (experimentell)
