Neues Licht durch neue Materialien

Die beeindruckenden Fortschritte in der Mikrostruktur-Technologie werden auch genutzt, um neue Materialien für die Optik herzustellen: Die Strukturierung auf der Größenskala der Lichtwellenlänge, also im Bereich von Mikrometern und darunter, erlaubt es, die optischen Eigenschaften von Materie - in gewissen Grenzen - maßzuschneidern. Man ist somit nicht mehr nur auf die von der Natur vorgegebenen optischen Eigenschaften der Materialien angewiesen.

Frequenzkonversion in mikrostrukturierten Materialien

Eine Anwendung findet die Mikrostrukturierung im Bereich nichtlinearer Materialien bei der Frequenzkonversion, also der Umwandlung von Licht einer Wellenlänge in das einer anderen. Im optischen parametrischen Oszillator nutzt man nichtlineare Effekte aus, um aus dem Licht einer "Pumplichtquelle" mit konstanter Frequenz durchstimmbares kohärentes Licht zu erzeugen, dessen Frequenz in weiten Grenzen verändert werden kann. Kohärentes Licht neuer Frequenzen erzeugen zu können, ist von besonderer praktischer Bedeutung. Denn obwohl es bereits eine außergewöhnlich große Anzahl von Lasern mit unterschiedlichen Lichtfrequenzen gibt, emittiert doch jeder Laser nur bei einer oder wenigen diskreten Frequenzen. Das Ziel ist es deshalb, mit Hilfe von nichtlinearen Materialien einen optischen Synthesizer zu bauen, mit dem extrem schmalbandiges Licht erzeugt werden kann, das kontinuierlich über einen großen Spektralbereich vom Infraroten bis zu Ultravioletten abgestimmt werden kann. Anwendungen für solch einen Synthesizer ergeben sich in vielen Forschungsgebieten wie der hochauflösenden Spektroskopie und der Spurengasanalyse oder bei der Kühlung von Atomen und Molekülen.

Ein Problem bei der effektiven Frequenzkonversion z. B. im optischen parametrischen Oszillator besteht darin, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes in einem Medium von der Lichtfrequenz abhängt. Diese Dispersionseigenschaft macht den Umwandlungsprozess im Allgemeinen sehr ineffizient, da das ursprüngliche Licht und das erzeugte Licht gewissermaßen aus dem Gleichschritt geraten. Dem will man dadurch abhelfen, dass man die Dispersion im Medium periodisch auf der Skala weniger Wellenlängen moduliert. Auf diese Weise ist mal die eine Frequenzkomponente etwas schneller, mal die andere. Im Mittel ergibt sich durch diesen Trick also quasi ein "Gleichschritt" der beiden Frequenzen. Man spricht deshalb auch von Quasi-Phasenanpassung. Die Effizienz bei der Frequenzkonversion ist in diesen mikrostrukturierten Materialien sehr viel höher als in herkömmlichen nichtlinearen Substanzen.

In lithografisch hergestellten Lichtwellenleitern macht man die nichtlineare Wechselwirkung noch stärker, indem man den Lichtstrahl auf einen Durchmesser von wenigen millionstel Meter konzentriert. Dadurch erhöht sich die Lichtintensität im Material und es verstärken sich die nichtlinearen optischen Effekte. Durch die Kombination von Mikrostrukturierung und nichtlinearer Frequenzverdopplung gelingt es, kompaktere und effizientere Laserlichtquellen auch für kurzwellige Strahlung herzustellen. Kurze Wellenlängen sind für die kompakte optische Datenspeicherung von besonderer Bedeutung, gemäß der Faustregel: je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Speicherdichte. Ein Beispiel sind die erst vor kurzem eingeführten DVDs (Digital Versatile Disks), die von kurzwelligeren roten Lasern ausgelesen werden können als die herkömmlichen CDs. Deshalb ist die Speicherkapazität einer DVD zehnmal größer als die einer CD. Aus diesem Grund bemüht man sich, neue und preiswerte Diodenlaser z. B. aus Galliumnitrid zu entwickeln, die Licht im blauen, also noch kurzwelligeren Spektralbereich abstrahlen.

Photonische Kristalle

Um optische Elemente weiter zu miniaturisieren, untersucht man seit einigen Jahren, wie man die Ausbreitung und die Ausbreitungseigenschaften des Lichtes auf extrem kurzen Längenskalen, etwa auf Strecken von einem tausendstel Millimeter, vollständig kontrollieren kann. Man fand heraus, dass sich das Licht in einer ausgedehnten dielektrischen Struktur mit periodisch variierenden Brechzahlen - einem photonischen Kristall - ähnlich verhalten kann wie Elektronen in einem Kristallgitter: Für bestimmte Frequenzen kann sich das Licht nicht im photonischen Kristall ausbreiten, während es ansonsten ungehindert vorankommt. Dies setzt allerdings voraus, dass die Periodenlänge, auf der die Brechzahl variiert, von der Größenordnung der halben Lichtwellenlänge ist, also für sichtbares Licht einige zehntausendstel Millimeter beträgt. Der einfachste photonische Kristall ist ein dielektrischer Spiegel oder Bragg- Gitter, der ähnlich wie ein metallischer Spiegel Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich vollständig reflektiert, dabei jedoch keine Verluste aufweist. Es ist äußerst kompliziert, photonische Kristalle herzustellen, und erfordert den Rückgriff auf Hochtechnologien, wie sie in der Elektronik angewendet werden. Interessanterweise bringt auch die Natur solche Strukturen hervor. So gehen die besonderen optischen Eigenschaften eines Schmetterlingsflügels oder des Halbedelsteins Opal auf dieselben optischen Effekte zurück, die in den photonischen Kristallen genutzt werden.

Das Licht um die Ecke bringen

Photonische Kristalle aus Silizium

Bildbeschreibung:
Zweidimensionale photonische Kristalle können z. B. aus hochreinem Silizium durch ein spezielles Ätzverfahren hergestellt werden. In (a) bis (d) erkennt man, dass eine Lochreihe fehlt. Diese Defektstruktur dient als Wellenleiter. In (e) und (f) wird ein Strahlteiler bzw. ein Resonator gezeigt. (U. Gösele, MPI für Mikrostrukturphysik, Halle; Infineon Technologies)
 

Licht besitzt in solchen periodischen Medien neue, spezifische Ausbreitungseigenschaften, wie sie in herkömmlichen Materialien nicht angetroffen werden. Die Attraktivität der photonischen Kristalle besteht darin, dass ihre optischen Eigenschaften von geometrischen Größen wie Periodenlänge, Symmetrie und räumlicher Variation der Brechzahl abhängen und somit nach Wunsch verändert werden können. Ähnlich dem erwähnten dielektrischen Spiegel kann man dreidimensionale periodische Strukturen herstellen, die in bestimmten Frequenzbereichen die Ausbreitung von Licht in allen Richtungen verbieten, also für dieses Licht völlig undurchlässig sind. Führt man lokale Defekte in diese periodischen Strukturen ein, so kann man erreichen, dass das Licht an diesen Defekten auf extrem kleinen Flächen lokalisiert bleibt oder entlang bestimmter Pfade geführt wird (s. Abb. 1). Insbesondere gelingt es, Licht auf sehr kurzen Distanzen gleichsam "um die Ecke" zu leiten, ohne dass große Verluste oder Reflexionen auftreten. Die potentiellen Anwendungen der photonischen Kristalle beruhen im Wesentlichen auf diesen Grundeffekten.

Photonische Kristalle gibt es derzeit als eindimensionale Schichtsysteme, zweidimensionale Säulenstrukturen sowie als dreidimensionale Säulenstrukturen oder Kugelanordnungen. Besonders vielversprechend ist es, optische Fasern mit sehr geringer Dispersion aus photonischen Kristallen herzustellen. Der weitere Fortschritt in den Strukturierungstechnologien wird es ermöglichen, verschiedene optische Bauelemente aus periodischen photonischen Strukturen zu fertigen. Solche Bauelemente können sowohl miniaturisierte Versionen bekannter optischer Elemente sein, wie Strahlteiler oder Phasenschieber, als auch ganz neue optische Funktionen ermöglichen.

Diffraktive Optik

Seit man gezielt Strukturen herstellen kann, die so groß sind wie die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes, ist es zur Wiederbelebung von originellen Ideen aus der physikalischen Optik des letzten Jahrhunderts gekommen, die damals verworfen wurden, weil die nötige Technologie gefehlt hatte. Als ein Beispiel sei die diffraktive Optik genannt, die wesentlich die Beugung des Lichtes ausnutzt. Diffraktive optische Elemente besitzen typischerweise eine zweidimensionale Form und zeichnen sich gegenüber den traditionellen Elementen wie Linsen und Prismen dadurch aus, dass sie kompakter und leichter zu handhaben sind. Zusätzlich erlauben neu entwickelte Replikationsverfahren wie das Wärmeprägen in thermoplastischem Material eine billige Massenherstellung von diffraktiven Elementen. Vor allem aber ermöglicht die diffraktive Optik im Zusammenspiel mit computergenerierten Strukturdesigns grundsätzlich neue optische Funktionen. Der Einsatzbereich reicht vom rein wissenschaftlichen Gebrauch in Spektrometern über technische Anwendungen für die optische Kommunikation bis hin zu Alltagsgegenständen wie z. B. Hologrammen auf Kreditkarten. Doch die Entwicklung steht erst am Anfang, und man wird wohl noch viele weitere Verwendungszwecke für diffraktive optische Elemente finden.

Generell ist in den nächsten Jahren eine Revolutionierung der optischen Technologien durch die Mikrostrukturierung zu erwarten. Auch kann man davon ausgehen, dass durch die Nanotechnologie die Grenzen zwischen der optischen und elektronischen Signalverarbeitung zunehmend aufgehoben werden.

Organische Halbleiterlaser

Halbleiterlaser aus einem dünnen Tetracen-Kristall

Bildbeschreibung:
Der erste elektrisch gepumpte organische Halbleiterlaser besteht aus einem wenige Mikrometer dünnen Tetracen-Kristall, auf den unten und oben Feldeffekt-Elektroden aufgebracht wurden. Die injizierten Elektronen bzw. Löcher rekombinieren unter Aussendung von Photonen. (J. H. Schön, C. Kloc, A. Dodabalapur und B. Batlogg, Bell Laboratories, USA).

Neue, mikrostrukturierbare Materialien für die Optik werden in jüngster Zeit aus dünnen Schichten organischer Materie entwickelt. Sie bestehen aus organischen Molekülen oder Polymeren, die jeweils ein sogenanntes Pi-Elektronensystem enthalten. Das sind Elektronen, die innerhalb der Schicht delokalisiert sind, also nicht an ein Atom gebunden oder in einer chemischen Bindung festgehalten sind. Sie verleihen diesen Materialien bei geeigneter Dotierung elektrische Leitfähigkeit, ganz ähnlich wie beim klassischen Halbleiter. Deshalb nennt man diese Materialien organische Halbleiter. Viele dieser organischen Halbleiter emittieren - wie auch viele anorganische Halbleiter - sichtbares Licht, wenn sie geeignet angeregt werden. Die Wellenlänge oder Farbe dieser Lumineszenz kann durch die Wahl des speziellen organischen Materials weitgehend vorbestimmt werden. Kürzlich ist es Marburger Physikern gelungen, ausgehend von einer Schicht aus organischem Material einen optisch gepumpten Laser zu realisieren. Münchner Physiker haben ihn auf einer flexiblen Polymerfolie von mehreren Quadratzentimetern Fläche hergestellt. Die dazu notwendige Kopplung der Lichtwelle mit den Molekülen wurde mit Hilfe einer periodisch strukturierten Oberfläche des Polymers erzielt, die als Bragg-Reflektor diente. Ziel dieser Arbeiten ist ein elektrisch gepumpter, flexibler organischer Laser. Auf dem Weg dorthin konnten Physiker in den USA kürzlich einen wichtigen Erfolg erzielen: Sie haben aus Tetracen, einem aromatischen Kohlenwasserstoff, dünne, hochreine Kristalle und daraus Bauelemente hergestellt, die ähnlich aufgebaut sind wie Feldeffekt-Transistoren (Abb. 2). Auf diese Weise ist es ihnen gelungen, den ersten elektrisch gepumpten organischen Halbleiterlaser herzustellen.