Fasern und Nanomaterialien

Fotografie einer Dispersion aus Nanopartikeln in einer Küvette, die mit blauer Laserstrahlung angeregt wird.

Die Vielfalt der lösungsgefertigten Nanomaterialien und die Flexibilität ihrer Synthese bieten eine breite Palette neuartiger optischer Funktionalitäten. Gemeinsam mit unseren Kooperationspartnern kombinieren wir die spannenden Eigenschaften solcher Nanomaterialien sowohl mit etablierten als auch mit neuartigen Fasern, wodurch wir die photonische Umgebung der Nanopartikel kontrollieren und neue Anwendungen erschließen können.

Ein Eckpfeiler unserer Arbeit ist die Untersuchung von mit Seltenen Erden dotierten Nanokristallen. Wir untersuchen die spontane Emission dieser Partikel und optimieren sie in Bezug auf Struktur, Größe und Dotierungskonzentration für Anwendungen in neuartigen Verstärkungsmedien oder Quantenspeichern. Zu diesem Zweck haben wir ein numerisches Werkzeug entwickelt, um alle relevanten Energietransfermechanismen in Nanokristallen zu untersuchen. Die numerischen Simulationen werden durch eine umfassende, spektroskopische Charakterisierung der von unseren Koorperationspartnern synthetisierten Partikel unterstützt. Darüber hinaus kann die spontane Emission der Nanokristalle zur Temperaturmessung genutzt werden. Die sogenannte Nanothermometrie kann zur Bestimmung der Temperatur unter rauen Umgebungsbedingungen wie starken magnetischen oder elektrischen Feldern oder mit einer räumlichen Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze eingesetzt werden. Sie macht sich die temperaturabhängige Boltzmann-Verteilung zweier benachbarter Energieniveaus zunutze. Darauf aufbauend stellen wir Faserthermometer her und verwenden sie als Temperatursensoren, z.B. in Protonenaustausch-Membran-Elektrolysezellen.

typo3/

Wir arbeiten derzeit mit folgenden Nanomaterialien:

  • Selten-Erd-dotierte Nanokristalle

    Wir verwenden fluoridbasierte Systeme wie die bekannten NaYF4:Er,Yb-Nanokristalle. In diesen Partikeln werden Nahinfrarot-Photonen von den Ytterbium-Ionen absorbiert. Die Energie von zwei oder mehr dieser Ionen wird auf ein Erbium-Ion übertragen, was zu einer sogenannten Aufwärtskonversion (engl. Upconversion) führt. Die Aufwärtskonversionsemission der Erbium-Ionen enthält u.a. zwei grüne Linien, die wir für die Nanothermometrie ausnutzen.

    Wird Natrium durch Lithium ersetzt, kann LiYF4 synthetisiert werden, das aus der Laserphysik sehr gut bekannt ist. Durch Dotierung mit Praseodym-Ionen, emittieren diese Nanokristalle mehrere Linien im sichtbaren Spektrum.

  • Kohlenstoffnanoröhren

    Kohlenstoffnanoröhren sind für ihre herausragenden Eigenschaften wie die sättigbare Absorption für die Modenkopplung in ultrakurzgepulsten Faserlasern bekannt. Derzeit müssen Kohlenstoffnanoröhren in Polymerfilme eingearbeitet und zwischen zwei Faseranschlüsse gepresst werden, um sie als ultraschnelle Schalter verwenden zu können, was im Vergleich zu konventionellen faserbasierten Modenkopplungssystemen komplexe Aufbauten erfordert. Um diese Komplexität zu verringern, arbeiten wir an einem faserintegrierten Modenkoppler auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhren.

  • Plasmonische Nanopartikel

    Plasmonische Nanopartikel aus Edelmetallen erhitzen sich unter Laseranregung auf extreme Temperaturen. Diese lokalisierten hohen Temperaturen können für die Katalyse ausgenutzt werden und lassen sich mit Hilfe der Nanothermometrie messen. Wir arbeiten an der Verkleinerung von Gaskatalysereaktoren auf der Grundlage von plasmonischen Nanopartikeln, die in photonische Kristallfasern mit Hohlkern eingebaut werden.

  • Kapillarfasern, metallorganische Gerüstverbindungen und Nanoplättchen

    Nanomaterialdispersionen in Kapillarfasern einzufüllen ermöglicht uns, die Dispersionen zu modulieren und ihre optische Reaktion auf die Modulation zu untersuchen. Zum einen untersuchen wir die Modulation des Brechungsindexes in Fasern durch die Verwendung von metallorganischen Gerüstverbindungen (engl. metal-organic frameworks - MOFs). Zum anderen untersuchen wir die optische Modulation von Nanoplättchen für neuartige Verstärkungsmedien und begleiten die experimentellen Ergebnisse mit numerischen Untersuchungen auf der Grundlage von Ratengleichungen.

  • Kolloidale Quantenpunkte

    Kolloidale Quantenpunkte weisen zudem auch hervorragende Einzelphotonen-Emissionseigenschaften auf. Viele Anwendungen der Quantenmetrologie erfordern, dass Einzelphotonenströme in einer wohldefinierten räumlichen Mode verbleiben. Jedoch gibt es bisher keine geeignete Faserkopplung für diese Emitter. Wir arbeiten an der Faserintegration von Einzelphotonen-Emittern auf der Grundlage kolloidaler Nanomaterialien.

KONTAKT

M. Sc. Simon Spelthann
Adresse
Callinstraße 36
30167 Hannover
Gebäude
Raum
234
Adresse
Callinstraße 36
30167 Hannover
Gebäude
Raum
234