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Artikelaktionen

AG Quantennanophotonik & K.I.

https://arbeitsgruppe.rahimi-iman.de | Homepage AG Quantennanophotonik - künstliche-Intelligenz-verstärkt.

Mitteilungen:

(in Bearbeitung)

September 2022:

Besuchen Sie die Beiträge unserer Forschungsteams bei der jährlichen DPG-Tagung Kondensierte Materie, 2022 in Präsenz und in Regensburg. / Visit our research teams‘ contributions to the DPG condensed-matter anual meeting, 2022 in Regensburg.

Please find our updated group emblem on the group's webpages. Emblem AG Quantennanophotonik & K.I. / quantum nanophotonics ai-enhanced group

Eine kurze Themenvorstellung: Forschungsaufenthalte in der AG Rahimi-Iman – weiterbildend, kooperativ und im Team, zielführende wie passende Förderungen und interdisziplinäre wie auch vertiefende Abschlussarbeiten in gemeinsam in Betracht ziehen. / Topic at a glance: Wishing to become a Quantum and Nano-Science & Engineering (Postdoctoral) Fellow as part of a research stay in the Rahimi-Iman group? It is about jointly considering effective and suitable funding/scholarship opportunities, as well as interdisciplinary and in-depth thesis work.

August 2022:

Wir blicken auf ein weiteres Heisenberg-Vernetzungstreffen mit angenehmen Impressionen und interessanten Beiträgen zurück, diesmal wieder als interaktive DFG-Präsenzveranstaltung, in Bonn, mit persönlichem Austausch unter den Beteiligten. Das nächste Mittags-Online-Meeting ist in Planung.

Presseartikel zur Rudolf-Kaiser-Preisverleihung 2022 an der JLU Gießen veröffentlicht. / Press release on the Rudolf-Kaiser-Award Ceremony in July 2022.

Die AG iQNP unterstützt diverse Förderschienen und zweckmäßige Möglichkeiten für interessante und weiterbildende Forschungsaufenthalte, sei es mithilfe von DAAD Stipendien, DFG Postdocförderungmitteln oder EU-Horizon-MSCA (individual) fellowships. / The qnpi-group supports a variety of scholarship schemes and meaningful possibilities to accommodate scholars for interesting and educative research stays, e.g. with the help of DAAD or DFG scholarships as well as EU-Horizon-MSCA (individual) fellowships.

Juli 2022:

Impressionen zur Rudolf-Kaiser-Preisverleihung 2022 an der JLU Gießen mit besonderer Freude geteilt: Eine außergewöhnliche Feierstunde Revue passieren lassen / Rudolf-Kaiser-Award Ceremony in July 2022: Pleasant moments of a special celebration shared.

Eine kurze Themenvorstellung: Künstliche Intelligenz in der Photonik – Intelligent photonische Nanostrukturen, nichtlineare Optiken und lichtgestützte Bauteile durch maschinelles Lernen mithilfe neuronaler Netze und Optimierungsalgorithmen verbessern, verwirklichen und vermessen / Topic at a glance: Artificial Intelligence in Photonics boosts optimization, advances realization and automizes characterization of photonic nanostructures, nonlinear optics and light-based devices with the help of neural networks and optimization algorithms.

Banner "Recent Advances in Optoelectronic Functional Nano-Materials"Das Journal Materials gibt eine Spezialausgabe zu optoelektronischen funktionalen Nanomaterialien heraus. Die Gasteditoren aus der Sino-German FNMS-COOP Group laden zu Beiträgen rund um diese Materialien und neuartigen Materialsysteme wie die 2D Halbleiter, niederdimensionalen Perovskite und den topologischen Isolatoren bis hin zu photonischen Metamaterialen ein.

With the launch of a Special Issue of the Journal ‚Materials‘ about “Recent advances in optoelectronic functional nano-materials”, the guest editors from our FNMS-COOP group call for contributions discussing such materials, among them novel platforms such as 2D semiconductors, low-dimensional perovskites and topological insulators, as well as photonic metamaterials. This special issue belongs to the Journal’s section “Advanced Nanomaterials and Nanotechnology”.

Emblem des Rudolf-Kaiser-PreisesMit einem außerordentlich gelungenen und besonderem Festakt wurde im gebührenden akademischen Rahmen der Rudolf-Kaiser-Preis 2021 in der Aula der Justus-Liebig-Universität Gießen am 06. Juli 2022 feierlich verliehen (siehe externer Link, Bekanntgabe des Deutschen Stiftungszentrums im Stifterverband).
Mit herzlichen Grußworten aus dem Präsidium und Dekanat 07 der JLU und einem spannenden wie informativen Festvortrag von Prof. Dr. Reitzenstein der Technischen Universität Berlin mit anschließender Laudatio wurden die Gäste auf die Urkundenübergage seitens Kuratoriumsmitglied Herr Lüdtke eingestimmt, der über den Stifter und die Auszeichnung des Preisträgers kurz resümierte.
Die stilvolle musikalische Umrahmung durch das mittelhessische Saxophonquartett Saxism ließ diese unvergessliche Veranstaltung zur Würdigung wissenschaftlicher Leistungen des Gruppenleiters Dr. Rahimi-Iman in ganz besonderem Glanze erstrahlen. Den Ausklang fand der zeremonielle Teil mit einem festlichen Empfang bei Erfrischungen und musikalischer Untermalung im ehrwürdigen Hauptgebäude der JLU.

We had an exceptionally remarkable and prosperous
Rudolf-Kaiser award celebration in the prestigious Aula of our university, the JLU, on the 6th of July (see external link, the announcement by the Deutsches Stiftungszentrum). With outstanding speakers, honorable guests and a unique award ceremony accompanied by the regional Saxophone Quartette Saxism, group leader Dr. Rahimi-Iman received the award of excellence during a luminous festivity.

Eine kurze Themenvorstellung: Halbleiterlaser, Quantenlichtquellen und mehr - Untersuchungen aus Forschungsarbeiten zu VECSELn, photonischen Nanostrukturen und neuartigen Lichtquellen zusammengefasst / Topic at a glance: Semiconductor Lasers, Quantum Light Sources and More promise the achievement of tailored devices for sophisticated applications ranging, e.g., from light-based microscopy, material to optical communications.

Juni 2022:

Arbeiten der AG Quantennanophotonik und Partnergruppen stärken die regionale Materialforschung zum Schwerpunkt "Material, Molekül und Energie" im Forschungscampus Mittelhessen (FCMH, ein Hochschulverbund aus UMR, JLU, THM). Dies berichtet u.a. die Uni Marburg: "Quasiteilchen überwinden Grenzen".

(Störung des Content Management System wurde zentral aufgehoben)

Das neue Format 'Heisenberg-Vernetzungstreffen' DFG-geförderter Gruppenleiter findet erstmals im Juni (am letzten Mittwoch) statt, unter dem Namen "Mittags-Online-Meeting Juni" (Zugang zum virtuellen Meetingraum an der JLU per Meeting-Kennnummer Webex 2731 688 3061, oder über diesen Link; Meeting Passwort wurde per Einladung verschickt).

Eine kurze Themenvorstellung: Winkelaufgelöste Spektroskopie und Experimente - Materialien und Bauelemente aus verschiedenen (Blick-)Winkeln betrachtet bieten neue Einblicke / Topic at a glance: Angle-resolved spectroscopy and experiments provide insights into materials and devices from different perspective(s).

Mai 2022:

Vorübergehende technische Störungen des Content Management System der Webseite festgestellt (noch nicht behoben) / Attention: Currently, our webpages do not display all online content properly due to a technical CMS glitch.

April 2022:

Licht im rechten Winkel abgestrahlt: Grenzflächige Materieanregung – Angeregte Quasiteilchen senden Licht mit Vorzugsrichtung aus gestapelten 2D Halbleiterkristallen (https://www.nature.com/articles/s41598-022-10851-3).

März 2022:

Artists' interpretation of chiral photonic metasurface, by Oliver Mey and Arash Rahimi-Iman, (c) 2022

Mit Künstlicher Intelligenz Metaoberfläche verbessert! Maschinelles Lernen ermöglicht verbessertes Design für chirale Spiegel – Gemeinsame Publikation von Physikern aus Gießen und Dresden (https://www.uni-giessen.de/ueber-uns/pressestelle/pm/pm28-22ki_chirale_spiegel)

Februar 2022:

Das Coverbild zur Veröffentlichung vom Dezember ist nun erschienen. (https://onlinelibrary.wiley.com/toc/18626270/2022/16/2)

Die AG Quantennanophotonik unterstützt im ZfM die Materialforschung an der JLU (Heisenberg-Arbeitsgruppe als Mitglied des Gießener ZfM / english-language link: qnp-group at Center for Materials Research)

Dezember 2021:

Dies ist die online Repräsentation der AG Rahimi-Iman "Quantennanophotonik" am I. Physikalischen Institut Giessen und ist derzeit im Entstehen.

 

Ausgewählte Publikationen (siehe auch Selected Publications)

 

  • 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).
  • 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).
  • 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).

 

Kontakt

 

Dr. Arash Rahimi-Iman

Heisenberg-Gruppenleiter

Quantum Nanophotonics AI-Enhanced Group

I. Physikalisches Institut

Tel.: +49 (0) 641 99 33124

Sekr.: +49 (0) 641 99 33101

Arash.Rahimi-Iman [ at ] exp1.physik.uni-giessen.de

Arbeitsgruppe.Rahimi-Iman.de

&

Co-Chair of the

Sino-German Cooperation Group on Functional Nano-Materials Sciences

FNMS-COOP-Group.Rahimi-Iman.de

 

Änderungen und Irrtümer vorbehalten.

© A. Rahimi-Iman, 2021-2022

Recent FNMS-COOP Research Highlights
W. Lai et al., "Broadband, optically transparent and highly flexible multispectral beam splitter based on Ag nanowires/graphene composite film for hybrid optical systems," J. Phys. D: Appl. Phys. 54, 295102 (2021)
S. Qin et al., "A new strategy to improve the performance of MoS2-based 2D photodetector by synergism of colloidal CuInS2 quantum dots and surface plasma resonance of noble metal nanoparticles," Journal of Alloys and Compounds 856, 158179 (2021)
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Virtual Group Meeting 2021
The dedicated "Group Photo FNMS-COOP" with online meeting participants before Session 01 is shown here to the side. During the virtual meeting, presentations were given regarding "Novel Materials and Novel Physics", as well as "Physics and Engineering", discussing various subjects ranging from single-photon sources and graphitic materials to infrared detectors and perovskite solar cells.
Joint Unversity Teaching
We are pleased to keep up and extend our lasting cooperation in university-level course teaching by members of our Sino-German Cooperation Group: With hope for an improved health situation, partners from the Zhejiang University and the Giessen University group look forward to more successful joint lecturing activities, such as in 2018 in China (see external link http://opt.zju.edu.cn/opten/2018/1119/c36439a1583541/page.htm "Semiconductor Quantum Structures for Photonic Devices") and 2020-2021 online in BigBlueButton ("Quantum Technology" via Marburg University).
"Optoelectronic Functional Nano-Materials" Special Issue
Joint FNMS-COOP Endeavour: ‘Materials’ Journal Special Issue “OE-FNM-SI”
This Special Issue aims to bringing together professionals and academics performing advanced research on materials with outstanding optical and optoelectronic properties that have the potential to positively shape the information-processing and energy-demanding world of tomorrow. The main purpose is to collect innovative and original contributions targeting modern challenges in optoelectronics and photonics.
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Established Functional Nano-Materials Cooperation

After having identified a variety of core competences of the attendees of the 1st Sino-German Symposium Functional Nano-Materials Sciences in Hangzhou (FNMS-2018), the recently forged and similarly-named Sino-German Cooperation Group aims at the establishment of a platform for fruitful collaborations in the field of functional nano-materials sciences research. The initiators and the members of the Cooperation Group wished to make efficient use of the experience obtained through joint research endeavors prior to the formation of this FNMS-COOP Group in order to expand cooperative work in the field of nanophysics and materials sciences. In this newly set frame, the partnering groups envisioned to build on the friendship and mutual trust formed between the project-supported group leaders and institutes in both countries for the establishment of a strong team in the domains of, both, fundamental and applied research on functionalized nano-materials and optoelectronic devices thereof – with the aim of exploring 2D-system photodetectors and sensors among others. The groups involved are characterized by their complementary expertise and methodology. The two co-chairs of the FNMS-COOP Sino-German Cooperation Group also acted and continue to act as program chairs for the Sino-German Symposia series on Functional Nano-Materials Sciences, the first of which (FNMS-2018) was successfully carried out in Hangzhou 2018.

The FNMS-COOP Group

The Cooperation Group comprises multiple research groups from China and Hessia, Germany. Among them are scientists from the Zhejiang University (embedded in two State Key Laboratories, one of Modern Optical Instrumentation and the other one of Silicon Materials), from Beijing’s National Center for Nanoscience and Technology, from Baoding City, Frankfurt and Giessen.

Further reading: FNMS
A. Rahimi-Iman (2020): Advances in Functional Nano-Materials Sciences, Annalen der Physik 532, 2000015 (https://doi.org/10.1002/andp.202000015): "Technologies employing nanomaterials, such as electronics, optoelectronics, nanobiotechnologies, quantum optics, and nanophotonics, are perceived as the key drivers of investigations on novel and functional materials and their nanostructures for various applications. It is well understood that the study of such materials and structures..."
Shared FNMS Promotion
International Office - Philipps-Universität Marburg (on 30. Mai 2018): 'Wir gratulieren Dr. Arash Rahimi-Iman, Fachbereich Physik der UMR, und Prof. Huizhen Wu zur erfolgreichen Durchführung des ersten gemeinsamen "Sino-German Symposium on Functional Nano-Materials Science".' (see external link https://de-de.facebook.com/IO.UMR/photos/wir-gratulieren-dr-arash-rahimi-iman-fachbereich-physik-der-umr-und-prof-huizhen/1965126940468393/)
Sino-German Symposium FNMS-2018
The Group Photo of FNMS-2018 in Hangzhou is one representative aspect of the Sino-German Symposium FNMS-2018, which aimed at bringing together experts of more than two countries and at supporting the rise of a future generation of scientists, young leaders in their field of research. More details about the event are found in our brief summary here: external link to the CDZ homepage article on the FNMS-2018 Symposium (http://www.sinogermanscience.org.cn/de/aktuelles/de_2018/201806/t20180626_489284.html).
The topics of interest presented at the 1st Sino-German Symposium on Functional Nano-Materials Science are visualized in the graphical chart below. More details about the image "Trending Keywords FNMS2018" and related content are found in the review article here: external link to the journal Annalen der Physik (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.202000015)
Trending Keywords FNMS2018
Image source(s): Left diagram with central insets from "Advances in Functional Nanomaterials Science," Ann. Phys. 532(9), 2000015 (2020) [ https://doi.org/10.1002/andp.202000015 ], Copyright 2020, A. Rahimi-Iman, published by Wiley-VCH under a CC-BY-4.0 International Licence. Upper right inset with micrograph of a monolayer tungstendisulfide flake: Adapted under the terms of the CC-BY-3.0 International Licence (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/). 2D Mater. 4, 025045 (2017) [ https://doi.org/10.1088/2053-1583/aa5b21 ] Copyright 2017, IOP Publishing Ltd. Lower right inset with image of a schematic colloidal nanoparticle on graphene: Adapted under the terms of the CC-BY-4.0 International Licence (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Sci. Rep. 6, 28224 (2016) [ https://doi.org/10.1038/srep28224 ] Copyright 2016, Springer Nature.
Chinese Co-Chair of the FNMS-COOP
Prof. Dr. Huizhen Wu (ZJU, Hangzhou)
Contact FNMS

Functional-Nano-Materials-Sciences Groups Coordination

Huizhen Wu

Professor at the Department of Physics

State Key Laboratory of Silicon Materials

Zhejiang University, Hangzhou

Hangzhou, P. R. China Giessen

HZWU [at] zju.edu.cn

 

German Co-Chair of the FNMS-COOP
Dr. Arash Rahimi-Iman (JLU, Giessen)
Contact QNP and FNMS

Quantum Nanophotonics AI-Enhanced Group &

Functional-Nano-Materials-Sciences Groups Coordination

Arash Rahimi-Iman

Heisenberg Group Leader at I. Physikalisches Institut

Justus-Liebig-Universitaet Giessen

Tel.: +49 (0) 641 99 33124

Sekr.: +49 (0) 641 99 33101

Arash.Rahimi-Iman [at] physik.jlug.de

https://AG.Rahimi-Iman.de &

FNMS-COOP-Group.Rahimi-Iman.de

Supported by:
The Sino-German Center for Research Promotion / Chinesisch-Deutsches Zentrum für Wissenschaftsförderung (CDZ). The Emblem of the CDZ shown: Link to the (external) CDZ Webpage.
FNMS-COOP Results
FNMS-COOP: Forschungsergebnisse / Research Outcomes
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Nanophotonik
Im Forschungsfeld der Quantennanophotonik werden mit Partnern weltweit und vor Ort am IPI mikroskopische Systeme der Licht-Materie Kopplung sowohl mit Blick auf flexible Nano-Photovoltaik/-Lichterzeugung als auch die Quantenoptik erforscht. Unterstützt von Simulationen entwickelt die AG Rahimi-Iman beispielsweise Nanostrukturen für 2D-Materialienphotonik und optimiert unter anderem Designs für chirale Metaoberflächen mittels maschinellen Lernens.
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vdW Heterostructures
Hauchdünne van-der-Waals Schichtkristalle, sogenannte 2D-Materialien, mit unterschiedlichen elektrischen und optischen Eigenschaften sind als einzelne Lage, als „Monolage“, oftmals weniger als 1 nm hoch und werden von Projektmitarbeitenden der AG manuell von millimeter-großen Kristallen mechanisch getrennt und nahezu beliebig zu funktionalen Nano-Heterostrukturen gestapelt.
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Polaritonen
Quasiteilchen der starken Licht-Materie Kopplung in optischen Mikrokavitäten mit eingebetten elektronischen Quantenstrukturen: (Exziton-)Polaritonen, teils Licht, teils Materie, können durch optische Pulse einerseits angeregt und andererseits manipuliert oder kontrolliert werden. Ihre hybride Natur verleiht ihnen spezifische Vorteile gegenüber anderen Quasiteilchen in Halbleiterkristallsystemen, sowohl im linearen als auch nichtlinearen Regime. Mit ihnen gelang unter anderem die Demonstration dynamischer Bose-Einstein-artiger Kondensate, auf deren Grundlage sowohl die Erforschung von neuartigen Quantenflüssigkeiten in Festkörpern als auch elektrisch betriebener Polariton-Laser ermöglicht wurde. Auch optisch/elektromagnetisch zugängliche beziehungsweise kontrollierbare Quantenbits (Qubits), oder Quantensimulatoren, könnten auf ihnen beruhen, was sie attraktiv für die photonische Quanteninformationsverarbeitung macht.
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Nichtlineare Effekte in Halbleiterschichten
Halbleiterscheibenlaser bieten die Möglichkeit, vielseitige leistungsstarke und spezialisierte Laser zu entwickeln. Die überwiegend optisch gepumpten Chips beherbergen nanometergenau konfigurierte Halbleiterschichtstrukturen in einer sogenannten Mikrokavität, die mit einem externen Spiegel vervollständigt werden kann. In diesen Chips können durch das darin stehende Kavitätslichtfeld verstärkt nichtlineare optische Effekte auftreten, die unter anderem für die Modenkopplung des Laserlichts von sogenannten VECSELn genutzt werden kann. Das Phänomen der Selbstmodenkopplung verspricht dabei zum Beispiel, mögliche Einschränkungen durch (intrakavitäre) sättigbare Absorber zu überwinden. Zudem sind VECSEL nun sogar für die selbststartende Frequenzkammerzeugung interessant geworden.
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Sino-German Cooperation Group on Functional Nano-Materials Science
The combination of 2D and 0D systems, as well as 3D materials, delivers a measureless scope to explore materials science and promotes the performance of electronic, optoelectronic, quantum optical and thermoelectric devices. Our binational Cooperation Group supported by the Sino-German Center for Research Promotion brings together expert groups from different universities, with research dedicated to the utilisation and understanding of various nanostructured heterojunctions or material systems.
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Kooperationen
(in Bearbeitung)
Kompetenzen-Übersicht
Anwendung neuronaler Netze / maschinelles Lernen,
Herstellung photonischer Nanostrukturen,
Laserphysikalische Messungen,
Mikro-Kryo-Spektroskopie und Fourierraum-Bildgebung,
Mikrokavitäts-Design / -Simulation und -Charakterisierung,
Nichtlineare Optik und Frequenzkonversion,
Optische räumliche und zeitliche Kohärenzuntersuchungen,
Photonische Quantenkorrelationen.
(in Bearbeitung)

Materialien und Bauelemente aus verschiedenen (Blick-)Winkeln betrachtet.

 (in Bearbeitung, weiterer Hinweis: Vorübergehende technische Störungen des Content Management System der Webseite festgestellt.)

Die heutige Technologiewelt ist geprägt von diversen Materialien und Bauelementen mit besonderen optischen Eigenschaften und maßgeschneiderten Wechselwirkungen mit eingestrahltem Licht bzw. effektiver Erzeugung bestimmter elektromagnetischer Strahlung (kurz: EM-Strahlung, im sichtbaren Spektralbereich auch einfach „Licht“ genannt). Die Untersuchung von diversen Halbleitermaterialien erfolgt oftmals mithilfe von Licht – also Photonen, den „Energiepäckchen“ des Lichts, bzw. EM-Strahlung. Ebenso werden typischerweise lichtsensitive, lichtbeeinflussende oder EM-Strahlung verarbeitenden Bauteile mithilfe von Photonen charakterisiert – bzw. dynamische Prozesse darin mit geeigneten Lichtpulsen.

Spektroskopie mit Mikroskop-Kryo-Apparaten:

Die lichtwellenlängenabhängigen Eigenschaften, sozusagen wie ein photonischer Fingerabdruck, lassen sich durch die Spektroskopie erfassen; und räumliche Abbildungen von lichtreflektierenden oder lichtdurchlässigen (transmittierenden) Objekten lassen sich gut mittels Kameras aufnehmen.

Die Wellenlänge bzw. Frequenz (im Grunde genommen die Energie, also „die Plank’sche Konstante mal die Frequenz“) des Lichts kann Aufschluss über die Zusammensetzung, Wirkweise und Licht-Materie-Wechselwirkungsstärke eines Materials oder Bauteils liefern. Bei Raumtemperatur verhalten sich viele Objekte vertraut bzw. in der Regel stark beeinflusst durch thermische Effekte, die im Alltag oft ausgeblendet sind. Jedoch bei sehr tiefen Temperaturen nahe der absoluten Null können Materialien und Bauelemente exotische oder zumindest wesentlich abweichende Eigenschaften aufweisen, wie die Superfluidität, Supraleitung, Bose-Einstein Kondensation oder Exzitonen, Biexzitonen, korrelierte Elektron-Loch-Paare und so fort. Zum Beispiel lassen sich Materiezustände und Phasenübergänge angeregter Halbleitersysteme bei sehr tiefen Temperaturen von ca. 4 Kelvin (ca. -269°C) mit EM-Strahlung und einem optischen Kryostaten und flüssigem Helium untersuchen.

Im Fall der mikroskopgestützten Bildgebung spricht man von Mikroskopaufnahmen, bzw. es ist die Rede von der Mikrospektroskopie im Fall der Betrachtung des „photonischen Fingerabdrucks“ (also des Spektrums) unter Einsatz von stark vergrößernden Optiken. Üblicherweise werden geeignete Mikroskopobjektive mit hoher numerischer Apertur „NA“ und oftmals auch großen Arbeitsabständen zur im Kryostaten eingesetzten Probe genutzt.

Winkelaufgelöste Spektroskopie:

Ein wertvolles Plus der Mikrospektroskopie: Der Öffnungswinkel der Sammeloptik (mit gegebenen NA) lässt zudem die Erfassung der Winkelverteilung innerhalb des entsprechend vom Objektiv gesammelten Lichtkegels zu. Hier kommt die Fernfeldbetrachtung ins Spiel. Fernfelduntersuchungen sind das oftmals unintuitiv wahrgenommene Gegenstück zu Nahfeldbetrachtungen des Lichtfelds. Gleichbedeutend in der Fachliteratur sind Bezeichnungen wie Fourier-Raum-/Impulsraum-Untersuchungen gegenüber Ortsraum-/Realraum-Betrachtungen. Diese gegenübergestellten für uns realen bzw. virtuellen Raumkonstrukte sind reziprok zu einander, was mathematisch elegant und sehr nützlich durch die Fourier-Transformation beschrieben wird.

Diese Verknüpfung und Interdependenz (gegenseitige Abhängigkeiten) mathematisch betrachteter Größen wie Frequenz und Zeit (gleichbedeutend mit Energie und Ereignisdauer/Zeitraum) sowie Impuls und Position (ergo Wellenvektor/Phasenrauminformation und realräumlicher Bezug) sind vielen Wissenschaftsinteressierten und Forschenden durch Begriffe wie die Heisenberg’sche Unschärfe oder das sogenannte Fourier-Limit bekannt. Diese Begriffe verdeutlichen die tiefe Verbindung zweier Sichtweisen auf ein-und-dieselbe Welt. Auf besondere Art und Weise bereichert erscheint dieser Formalismus letztlich durch Betrachtung des Zusammenspiels von sowohl Raum und Zeit als auch Impuls und Energie wie im sogenannten Vierervektor (vgl. spezielle Relativitätstheorie).

Im Alltag der Festkörperphysik findet sich aber vorwiegend die Betrachtung des Zusammenhangs von Energie und Impuls eines (oftmals periodischen) Systems. Je geordneter ein Kristall (also die wiederkehrende Erscheinung ihrer Bausteine mit wohldefinierter Periodizität räumlich betrachtet), desto modellhafter die Beschreibungen der möglichen Teilchenzustände im dazugehörigen Phasenraum (k-Raum). Deshalb wird für Elektronen (im Allgemeinen Ladungsträger), Photonen (im optischen Medium eigentlich Licht-Materie-Hybride) und Phononen (die Quanten der Schwingung) oftmals nach der Dispersionsrelation geschaut, auch häufig Energie-Impuls-Relation genannt.

Theoretischer Hintergrund:

Aus der quantenmechanischen Beschreibung physikalischer Zusammenhänge ist Vielfach in der Naturwissenschaftsausbildung von der unmöglichen genauen Bekanntheit von Orts- und Impulsparameter eines Quantenobjekts (Partikels) zur gleichen Zeit die Rede. Mit anderen Worten geht es um die reziproke Natur der Beschreibungsparameter ein-und-desselben Systems/Objekts, die nicht durch den Betrachter durch eine Messung beliebig genau gleichzeitig gemeinsam bestimmt werden können, denn die Messung ist bekanntlich selbst eine Interaktion einer quantenphysikalischen Sonde mit einem quantenphysikalischen Objekt.

Aber auch praktische Bereiche sind nicht unberührt von dieser Verknüpfung: Bei ultrakurzgepulsten Lichtfeldern (aus speziellen Lasern) besteht auf technischer Ebene auch ein Verständnis der reziproken Verwandtschaft von Frequenz und Zeit über das Zeit-Bandbreiten-Produkt (engl.: Time-Bandwidth-Product; direkt verknüpft mit dem Fourier Limit).

Und bei Lichteinstrahlung und –Emission in Bezug auf Probenoberflächen gibt diese Verknüpfung eine Möglichkeit der winkelaufgelösten Spektroskopie und lässt über den Lichtstrahl-Winkel (Wellenvektorwinkel zum Lot der Oberfläche) und die Abbildung des Fourier-Raums im Brennpunkt einer Sammellinse einen Einblick in die Impulsverteilung von Resonanzen beziehungsweise Emittern (Absorbereigenschaften) zu. Durch winkelaufgelöste Spektroskopie lässt sich nicht nur der Fourier-Raum von Emittersystemen erschließen, sondern auch die winkelabhängige Intensitätsverteilung von (dipolartigen) Emittern, wie Exzitonen in ultraflachen Festkörpersystemen.

Eine propagierende Welle (Welle oszillierender Felder, wie bei der elektromagnetischen Strahlung) wird üblicherweise mit einer Formel bestehend aus einer periodischen Schwingung (Sinus-, Cosinus- oder e-Funktion mit Real- und Imaginärteil) mit sowohl einem Ortsparameter (beispielsweise x, wie in einer eindimensionalen Wellenbetrachtung) als auch einem dazugehörigen Impulsparameter (kx) beschrieben, zusammen mit einem Zeitparameter (t) für die zeitliche Veränderung (Ausbreitung) und einer Frequenz (f) zur Beschreibung der Energie (Oszillation, also Schwingung). Daher sind auf natürliche Weise alle relevanten Parameter vereint und die Verknüpfung ersichtlich. Eine auf realräumliche Angaben gestützte Darstellung befasst sich primär mit der zeitlichen Evolution der Welle, eine auf Wellenvektoren gestützte Betrachtung auf die energetischen bzw. Wechselwirkungs-Aspekte. Erneut sollte hervorgehen, dass es sich um sprichwörtlich zwei Seiten derselben Medaille handelt.

Beispielsweise gibt es bei der starken Licht-Materie-Kopplung (Dämpfung der jeweiligen Oszillatoren vernachlässigbar klein) eine Moden-Energieaufspaltung im Energie-Impuls-Diagramm (in der Frequenzdomäne des Systems) bzw. eine zeitlich periodische Oszillation der Emitteranregungswahrscheinlichkeit (in der Zeitdomäne des Systems). Im Falle von Licht-Materie-Quasiteilchen, den Polaritonen, spricht man von einer Rabi-Aufspaltung bzw. -Oszillation.

Mit einem erweiterten Blick zum Fazit:

Die winkelaufgelöste Spektroskopie bietet einen anderen Blick auf emittierende, reflektierende, transmittierende und absorbierende optische Bauelemente und Medien, oder Quasiteilchen darin. Und die Wichtigkeit der Dispersionsrelation spiegelt sich beispielsweise bei speziellen Bauteilen wie die ungewöhnliche Quelle kohärenten Lichts, dem sogenannten Polariton-Laser, wider. Natürlich spielen für ein Bauteil letztlich diverse Aspekte eine Rolle, und dies nicht nur für exotische nichtlineare Prozesse für Exziton-Polaritonen in optischen Mikrokavitäten.

Die Sicht auf Dinge aus verschiedenen Winkeln hat unter anderem auch aus eigener Erfahrung seinen Mehrwert bei (nicht selten bekannten/bereits erforschten) Themen wie

  • der Erzeugung und Steuerung von THz Strahlung im sogenannten „TECSEL“ bzw. mit THz Optiken,
  • der Leistungs- oder Betriebsoptimierung vom Halbleiterscheibenlaser („VECSEL“, beispielsweise auch als Einzelfrequenz-VECSEL),
  • der Untersuchung von nichtlinearen optischen Effekten wie das Kerr-Linsenverhalten oder die Zweiphotonenabsorption von Halbleiterlaserchips (als Wirkmechanismen oder Störeffekte bei der Selbstmodenkopplung),
  • der Charakterisierung von Reflektivitätsbändern und Kavitätsmoden von Fabry-Pérot Mikroresonatoren bzw allgemeiner gesprochen ebener photonischer Kristalle,
  • dem Auffinden und Untersuchen von „Exceptional Points“ (wörtlich: außergewöhnlichen Punkten) im Dispersionsdiagramm schwach bis stark koppelnder Licht-Materie-Moden,
  • oder der Erforschung von Polaritonchemie durch einstellbare Reaktionspfade mittels Effekte wie (ultra)starke Licht-Materie-Kopplung [Kommentar: aber (bisher) kein Themenfeld dieser Arbeitsgruppe].

Letztlich, und auf beeindruckende Art und Weise, hat vor allem der gewagte, neugierige und optimistische Blick in die Welt der 2D-Halbleiterexzitonen in den vergangenen Jahren dem 2D-Team der Gruppe besonders interessante Studien ermöglicht und spannende Erkenntnisse hervorgebracht. Einigen der Experimente hat meine Forschungsgruppe lang entgegengeblickt. Auf Basis jener nach und nach abgearbeiteter Experimente werden wir mit unseren Kooperationspartnern darauf aufbauende Aktivitäten mit Elan, sowie Spaß und Freude an der Forschung, weiterverfolgen.

Fazit / Erfolge beruhend auf eigenen Kapazitäten und Zielen:

Die zuteilgewordenen Erfolge möchte ich vor allem einer effektiven und synergiereichen Verknüpfung von Methoden und Experimenten, sowie einer explorativen, kooperationsorientierten und wertschöpfenden Forschungsphilosophie und dem guten Zusammenwirken im Team zuschreiben. Meine Arbeitsgruppe möge diese von meinen früher geführten Teams übertragene Denk- und Handlungsweise weitertragen.

Zum Abschluss sei hier eine kurze Liste einiger relevanter Beiträge meiner Teams und mir zur Thematik der winkelaufgelösten Spektroskopie, winkelabhängigen Untersuchungen und der optischen Fourier-Raum-Abbildungsmethodik aufgeführt – siehe Referenzen unten.

Gießen, Juni 2022, Arash Rahimi-Iman

 

Abbildungen:

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Referenzen:

  1. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2019): Shedding light on exciton’s nature in monolayer quantum material by optical dispersion measurements, Opt. Express 27, 37131 (https://doi.org/10.1364/OE.27.037131 OpenAccess).
  2. 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).
  3. A. Rahimi-Iman (2020): Polariton Physics: From Dynamic Bose–Einstein Condensates in Strongly-Coupled Light–Matter Systems to Polariton Lasers, Springer Series in Optical Sciences 229, Springer Intern. Publ., Cham (https://doi.org/10.1007/978-3-030-39333-5), Chapter 7 (https://doi.org/978-3-030-39333-5_7).
  4. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2020): Optical dispersion of valley-hybridised coherent excitons with momentum-dependent valley polarization in monolayer semiconductor, 2D Materials 8, 015009 (https://doi.org/10.1088/2053-1583/abb5eb OpenAccess).
  5. A. Rahimi-Iman (2021): Semiconductor Photonics of Nanomaterials and Quantum Structures: Applications in Optoelectronics and Quantum Technologies, Series in Solid-State Sciences 196, Springer Nature, Cham (https://doi.org/10.1007/978-3-030-69352-7), Chapter 5 (https://doi.org/10.1007/978-3-030-69352-7_5).
  6. 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, 2100182 (https://doi.org/10.1002/pssr.202100182 OpenAccess).
  7. M. A. Aly, M. Shah, L. M. Schneider, K. Kang, M. Koch, E.-H. Yang, A. Rahimi-Iman (2022): Radiative pattern of intralayer and interlayer excitons in two-dimensional WS2/WSe2 heterostructure, Sci. Rep. 12, 6939 (https://doi.org/10.1364/OE.27.037131 OpenAccess).
  8. F. Zhang, B. Heinen, M.Wichmann, C. Möller, B. Kunert, A. Rahimi-Iman,W. Stolz, M. Koch (2014): A 23-watt single-frequency vertical-external-cavity surface-emitting laser, Optics Express 22, 12817 (https://doi.org/10.1364/OE.22.012817).
  9. F. Zhang, C. Möller, M. Koch, S. W. Koch, A. Rahimi-Iman, W. Stolz (2017): Impact of detuning on the performance of semiconductor disk lasers, Applied Physics B 123, 291 (https://doi.org/10.1007/s00340-017-6860-2).
  10. C. Kriso, S. Kress, T. Munshi, M. Grossmann, R. Bek, M. Jetter, P. Michler,W. Stolz, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2019): Microcavity-enhanced Kerr nonlinearity in a vertical-external-cavity surface-emitting laser, Optics Express 27(9), 11914–11929 (https://doi.org/10.1364/OE.27.011914).
  11. H. Guoyu, C. Kriso, F. Zhang, M. Wichmann, W. Stolz, K. A. Fedorova, A. Rahimi-Iman (2019): Two-chip power-scalable THz-generating semiconductor disk laser, Optics Letters 44(16), 4000–4003 (https://doi.org/10.1364/OL.44.004000).

Von Scheibenlasern bis zu Einzelphotonenquellen.

 (in Bearbeitung, weiterer Hinweis: Vorübergehende technische Störungen des Content Management System der Webseite festgestellt.)

Halbleiterphotonik und Quantentechnologien sind aktuell Schlüsseldisziplinen in der anwendungsorientierten Forschung und für industrielle Errungenschaften der nächsten Generation. Sie treiben die Entwicklung optischer, elektrischer und optoelektronischer Werkzeuge und haben einen großen Einfluß auf unseren Alltag, sei es durch die Informationsverarbeitung, Medizintechnik oder Materialbearbeitung bzw. Sensorik.

Laserspektroskopie ist heutzutage als Werkzeug moderner optischer Untersuchungen in den Bereichen der Quantenphysik, Materialwissenschaft und Nanotechnologie nicht mehr wegzudenken. Dies ist für eine sehr große Spanne an Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums der Fall, jedoch am meisten im sichtbaren (VIS) Spektralbereich und den angrenzenden infraroten (IR) oder ultravioletten (UV) Teilen für den Menschen erfassbar.

Ultraschnelle und breitbandige, lineare und nichtlineare, sowie zeitaufgelöste optische Untersuchungen beispielsweise an nanostrukturierten photonischen Bauteilen, exotischen Materialplattformen und futuristischen optischen Komponenten sind vermehrt auf die Leistungsfähigkeit und spektralen Betriebsfenster verfügbarer modengekoppelter Kurzpulslaser angewiesen. Solch Elemente und Komponenten zukünftiger Bauteile können optische Mikrokavitäten, zweidimensionale (2D) Materialheterostrukturen, oder Metamaterialien („flache Optiken“) für Anwendungen im VIS, Nahinfrarot (NIR) und IR Spektralbereich sein.

Halbleiterscheibenlaser (VECSEL):

VECSEL, das steht im Englischen für vertikal oberflächenemittierende Laser mit externem Resonator, wie die bekannte Klasse der VCSEL lediglich mit einem externen Laserhohlraum (i.e. Kavität). Diese Bauweise ist eine Besonderheit für Halbleiterchip-Laser. Aus einem kristallin reinen, optischen Gewinnmedium aus Halbleiterheterostrukturen in Verbindung mit einem eingebauten hochreflektiven Bragg-Spiegel kann unter optischer Anregung mehrere zehn Watt Ausgangsleistung extrahiert werden, was für einen einzelnen Halbleiterchip zu Rekordleistungen von ca. 23 W im Einzelfrequenzbetrieb und über 100 W im Multimodenbetrieb führen kann. Vervollständigt wird eine halbe Mikrokavität in der Regel durch einen gegenüberliegenden externen Spiegel (oder eine Kombination aus passenden Spiegeln in geeigneten Resonatorkonfigurationen).

Über zwei Jahrzehnte hat sich die Klasse der VECSEL als Gegenstand moderner Laserforschung etabliert und sich als ideale Plattform für die Realisierung kompakter, robuster und kosteneffizienter Ultrakurzpulslaser entwickelt; mit Pulsdauern bis hinunter in den Sub-Pikosekunden- (sub-ps) bzw. sogar Femtosekunden-Bereich (fs).

Das Ziel ist es gewesen, die üblichen intrakavitären sättigbaren Absorberspiegel zu umgehen (SAMs, i.d.R. SESAMs, eine englische Abkürzung für sättigbare Absorberspiegel, bzw. solche aus Halbleitermaterial / Semiconductors, quasi wie die Laserchips selbst, jedoch mit angepassten optischen Eigenschaften, dem nichtlinearen Absorptionsverhalten). Sie müssen für die gewünschte Zielwellenlänge extra designt und hergestellt werden, und zudem die intrakavitäre optische Leistung über längere Betriebszeiträume und Leistungsregionen hinweg auch vertragen.

Demonstration der Selbstmodenkopplung:

Ultrakurze Laserpulse, solche mit etwa 100 fs Pulsdauer, mögen daher durch einen Selbstmodenkopplungsbetrieb sozusagen SESAM-frei erzielt werden. „Self-Mode-Locked“ (SML) VECSEL, kurz SML-VECSEL, versprechen die Umgehung einiger Einschränkungen der zuvor genannten (SE)SAMs, wie das thermische Management, Degradationseffekte bei hohen Leistungen und somit Deckelungen bei erzielbaren Spitzenleistungen, aber auch zusätzliche Kosten und zusätzlichen intrakavitären Platzbedarf zur Implementierung von SESAM-Chips in VECSELn.

Analog zu dem Begriff Kerr-Linsen-Modenkopplung (engl.: KLML) für Festkörperlaser ist der Begriff Selbst-Modenkopplung genutzt, um ein selbststartendes oder “magisches” Modenkoppeln zu benennen. Obwohl SML-VECSEL mittlerer Weile als gleichwertiges Bauteil zu SESAM-betriebenen Modenkopplungs-VECSEL akzeptiert werden, galten sie seit ihrer Demonstration vor ca. 10 Jahren als kontrovers diskutiert und in ihrer Wirkweise wenig verstanden. Der Mechanismus zur Pulsformung und stabilen Modenkopplung war über mehrere Jahre und zwei Projektphasen Gegenstand gründlicher und fruchtbarer Untersuchungen meines VECSEL-Teams in Marburg.

SML Ziele und Meilensteine:

Ein wichtiger Beitrag zum besseren Verständnis des Arbeitsprinzips und Resonator- wie auch Chipdesigns ist als Teil erfolgreicher, DFG-geförderter Projektarbeiten erlangt worden. Unsere Aktivitäten hatten auch die Anwendung solcher SML-VECSEL im Sinn, wie in der Laser-Spektroskopie, Laser-Prozessierung, Multiphotonen-Mikroskopie, Frequenz-Konversion und Superkontinuum-Erzeugung. Letzteres in geeigneten Medien ist ein nichtlineares Frequenzverbreiterungsverfahrens, dass unabhängig von VECSELn gerne beispielsweise für selbstreferenzierte optische Kämme angedacht wird.

Unsere Forschungsaktivitäten fokusierten bis heute primär zwei Aspekte: erstens, die Etablierung von SML-VECSEL als Quelle ultrakurzer Laserpulse, was durch Nachweise und einer gründlichen Charakterisierung der SML-VECSEL für Quantenfilm- und Quantenpunkt-Chips im sichtbaren bis infraroten Spektralbereich gelang; zweitens, die Durchführung von Studien zur nichtlinearen Optik des einzigen intrakavitären Elements, welches Mechanismen zur Pulsformung im Bauteil überhaupt einführen könnte, also dem Gewinnspiegel (Laserchip) selbst. Damit sollte der Haupteffekt hinter jenem Phänomen im VECSEL erkannt werden.

Nichtlineare Effekte im Halbleiterchip:

Für die Modenkopplung von Halbleiterlasern basierend auf optisch nichtlinearen Mechanismen konnte eine zuvor vermutete intensitätsabhängige Linse experimentell für den VECSEL Chip mehrfach nachgewiesen werden. Durch zeitintegriert gemessene optische Nichtlinearitäten mit sogenannten Z-Scans konnte eine nichtlineare Linse bereits in ersten Untersuchungen zielführend analysiert und erfolgreich festgestellt werden.

Über die erste Projektphase hinaus wurde das Verständnis zum Kerr-Linseneffekt im Chip für ultrakurze Zeitskalen mit der zeitauflösenden Beam-Deflection-Technik (von Forschungspartnern in Florida vom Institut CREOL erlernt) in Marburg vertieft. Gemeinsam mit Messungen zum Dispersionsverhalten (engl.: Group-Delay Dispersion, GDD) und dem Mikrokavitäseffekt spielen auch Pulsdauerbetrachtungen – mit und ohne optische Ladungsträgeranregung (externes Pumpen des Gewinnmediums) – eine Rolle.

Letztlich war es die in der zweiten Projektphase untersuchte Dynamik der Nichtlinearität, welche uns ein vollständigeres Bild in Hinblick auf das nichlineare Linsenverhalten gab. Es konnte gezeigt werden, dass die Nichtlinearität einem ultraschnellen Kerr-Effekt – sofern auf fs-Skala stattfindend – oder einer Antwort freier Ladungsträger – auf ps-Skalen – zuzuschreiben ist. In der Tat ist ein Zwischenspiel aus beiden Effekten als Ursache für stabile Selbstmodenkopplung erwartet worden, wodurch die beiden Beiträge eine ultraschnelle und eine langsamere sättigbare Absorption künstlich nachahmen.

Kohärenz im optischen Frequenzkamm-VECSEL:

Zusätzlich zu den Untersuchungen zur Selbstmodenkopplung wurden Messungen zur Phaseninformation der optischen ultrakurzen “Pulse” in solchen VECSEL verfolgt. Während die Modenkopplung durch zeitliche Interferenz aufgrund einer festen Phasenbeziehung Pulszüge mit zeitlich kompakten Spitzenleistungen (dem gepulsten Lasersignal) ermöglicht, was auch mit amplitudenmodulierten Frequenzkämmen in Verbindung steht, sind frequenzmodulierte Kämme in ihrer Durchschnittsleistung kaum zeitlich moduliert. Jedoch ist dieser Kammzustand geprägt von einer zeitlich periodischen Änderung der Laserfrequenz, wie bei einer Ampel/Lichtschaltung, und einer linear ansteigenden Phasendifferenz zwischen benachbarten Kamm-Moden (spektrale Phasenbeziehung über eine Spanne von 2Pi).

VECSEL mit Signaturen der Selbstmodenkopplung zeigten schließlich in einem phasensensiblen Experiment einen (selbststartenden) frequenzmodulierten Kammzustand: Dieser Betriebsmodus wurde in einer wegweisenden Untersuchung für Modenkopplungs-VECSEL, den (S)ML-VECSELn, untersucht und dessen Signaturen in unserem Projektteam demonstriert.

Die Forschungsergebnisse hierzu wurden durch unsere Etablierung eines SWIFTS-Experiments für VECSEL ermöglicht, was im Englischen für „Shifted-Wave-Interference Fourier-Transform Spectroscopy“ steht. Diese neuartige kohärente Schwebungsspektroskopie-Methode wurde kürzlich durch Untersuchungen von Kammzuständen der sogenannten Quantenkaskadenlaser bekannt und in der Literatur erprobt. Auch die Dispersionseigenschaften des für den Ultrakurzpulsbetrieb ausgelegten Halbleiterlaserchips mit mehreren Quantenfilmen in einer Halbmikrokavität wurden für unsere Selbstmodenkopplungs-Studie laserinterferometrisch analysiert.

Perspektiven und erwartete technologische Fortschritte:

Mit diesen Erkenntnissen sollte es zukünftig gelingen, signifikante Bauteilverbesserungen in Hinblick auf Pulsdauern, spektraler Vielseitigkeit und Leistungsfähigkeit zu erzielen. Die kürzlich verstandene Rolle der (winkelabhängigen) Chip-Mikrokavität in Bezug auf die nichtlineare optische Antwort des VECSEL Chips möge in Kombination mit einem besseren Verständnis der (ebenso winkelabhängigen) Dispersion (dem GDD) im VECSEL ein fortschrittliches Design von Chips für SML-VECSEL sowie für die Bemühungen zur Dispersionskompensation unterstützen.

Ich nehme an, dass mit geeigneten Maßnahmen zur Optimierung (SE)SAM-freier VECSEL Spitzenleistungen von mehreren Kilowatt und Pulsdauern unterhalb der 100-fs-Marke in Reichweite kommen können bzw. zukünftig werden; für frequenzmodulierte Kämme wäre eine spektrale Ausweitung maßgeschneiderter kohärenter VECSEL-Moden im quasi-Dauerstrichbetrieb zu erwarten.

Die anpassbare Wiederholrate von (S)ML-VECSELn ist unter anderem für die Anwendung von gepulsten VECSELn als optische Pumpe für Quantenstrukturen im Bereich ultraschneller Quantenkommunikation attraktiv. Mit Partnern an der TU Berlin konnten wir bereits 2015 einen Rekordwert für den Einzelphotonenfluss VECSEL-gepumpter Quantenemitter aufstellen. Ultrakurzpuls-VECSEL sind auch vielversprechend für Anwendungen, die eine hohe räumliche Präzision und eine niedrige thermische Einwirkung erfordern, wie die (nichtlineare) Mikroskopie, Materialablation bzw. Laserprozessierung oder therapeutische Technologien in der Biomedizintechnik.

Die erstmalige Demonstration der Signaturen eines frequenzmodulierten Kamms ermutigt besonders die weitere Untersuchung solcher VECSEL hinsichtlich Verbesserungen des Kammbetriebs und die Nutzung solcher Selbstmodenkopplungs-VECSEL als quasi-Dauerstrichquelle kohärenten Lichts für Anwendungen, besonders für jene, bei denen genügend optische Leistung pro Kammfarbe erforderlich wäre. Anwendungsrelevanz haben solche Kämme beispielsweise in der Molekülspektroskopie. Attraktiv ist unter anderem der Einsatz zweier leicht unterschiedlicher optischer Frequenzkämme kombiniert in der sogenannten Zweikammspektroskopie. Darüber hinaus besteht ein grundsätzlicher Bedarf an Quellen von Frequenzkämmen für neuartige Einsatzmöglichkeiten in der Quantenoptik, dem optischen Computing und Forschungen im Bereich der lichtgestützten künstlichen Intelligenz.

Quantenlichtquellen und Halbleiternanolaser:

Parallel zur VECSEL-Entwicklung, Laserphysikuntersuchung oder reinen 2D-Materialforschung lassen sich besondere Quantenlichtquellen und Halbleiternanolaser auch mit Hilfe von 2D-Materialien und nanophotonischer Strukturen erforschen und weiterentwickeln. Hier können besonders die Vorteile der Materialklasse der ultradünnen Übergangsmetalldichalkogenide und ihre Heterostrukturen, aber auch elektronische Defektzustände (Quantenemitter) und Licht-Materie-Hybride (Polaritonen) in diesen valleytronischen Schichthalbleiterkristallen ausgenutzt werden.

Ebenso genießt der Einsatz des besonders vielseitig verwendbaren hexagonalen Bornitrids (h-BN) für die Nanolichtquellenentwicklung und aber auch 2D-Photovoltaik immer größere Relevanz, nicht zuletzt aufgrund der elektronischen Bandlücke im UV, optischer Transparenz, Valley-Pseudospin, isolierbare Defektemission über einen breiten Spektralbereich von VIS zu NIR, und der hydrophoben Oberfläche. Wohlgemerkt sind es unterschiedliche Eigenschaften bzw. Vorzüge, die in unterschiedlichen Bauteilanwendungen ihren entsprechenden Nutzen finden.

Die Demonstration neuartiger Laser sowie Einzelphotonenquellen und die Untersuchung ihrer Eigenschaften verspricht eine bedeutsame Ausweitung der Möglichkeiten in der Entwicklung von speziellen (integrierten) photonischen Schaltkreisen und Sensoren, insbesondere in Hinblick auf neuartige Computerarchitekturen wie optische Quantensimulatoren oder photonische neuromorphe Rechner. Photonische Leitkanäle, Mischer, nichtlineare Medien, Detektoren, Lichtquellen, künstliche Kristalle, Hohlräume, topologisch geschützte Zustände und Metamaterialien werden auf die ein oder andere Art und Weise für diese Zwecke unerlässlich sein, damit einhergehend auch ihre Erforschung, Etablierung und Bauteil-Integration. Es ist somit eine Freude und Besonderheit, an der Zukunft der Photonik mitwirken zu können.

Gießen, Juli 2022, Arash Rahimi-Iman

 

Abbildungen:

(derzeit leider aufgrund von Anzeigefehlern nicht verfügbar)

Referenzen:

  1. A. Rahimi-Iman (2021): Self-Mode-Locked Semiconductor Disk Lasers, Kapitel 12 in Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers: VECSEL Technology and Applications, Wiley-VCH, ISBN 978-3-527-41362-1 (https://www.wiley.com/en-be/9783527413621).
  2. A. Rahimi-Iman (2021): Semiconductor Photonics of Nanomaterials and Quantum Structures: Applications in Optoelectronics and Quantum Technologies, Series in Solid-State Sciences 196, Springer Nature, Cham (https://doi.org/10.1007/978-3-030-69352-7), Chapter 5 (https://doi.org/10.1007/978-3-030-69352-7_5).
  3. C. Kriso, A. Barua, O. Mohiuddin, C. Möller, A. Ruiz-Perez, W. Stolz, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2021): Signatures of a frequency-modulated comb in a VECSEL,
    Optica 8, 458–463 (https://doi.org/10.1364/OPTICA.418061) OpenAccess.
  4. C. Kriso, T. Bergmeier, N. Giannini, A. Albrecht, M. Sheik-Bahae, S. Benis, S. Faryadras, E. Van Stryland, D. Hagan, M. Koch, G. Mette, A. Rahimi-Iman (2021): Probing the ultrafast gain and refractive index dynamics of a VECSEL,
    Appl. Phys. Lett. 119, 191105 (https://doi.org/10.1063/5.0061346) (arXiv:2106.13664 OpenAccess).
  5. C. Kriso, S. Kress, T. Munshi, M. Grossmann, R. Bek, M. Jetter, P. Michler,W. Stolz, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2020): Wavelength and pump-power dependent nonlinear refraction and absorption in a semiconductor disk laser,
    Photonics Technology Letters 32(2), 85–88 (https://doi.org/10.1109/LPT.2019.2957875).
  6. C. Kriso, S. Kress, T. Munshi, M. Großmann, R. Bek, M. Jetter, P. Michler, W. Stolz, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2019): Microcavity-enhanced Kerr nonlinearity in a vertical-external-cavity surface-emitting laser,
    Opt. Express 27, 11914 (https://doi.org/10.1364/OE.27.011914) OpenAccess.
  7. H. Guoyu, C. Kriso, F. Zhang, M. Wichmann, W. Stolz, K. A. Fedorova, A. Rahimi-Iman (2019): Two-chip power-scalable THz-generating semiconductor disk laser,
    Optics Letters 44(16), 4000–4003 (https://doi.org/10.1364/OL.44.004000).
  8. R. Bek, M. Großmann, H. Kahle, M. Koch, A. Rahimi-Iman, M. Jetter, P. Michler (2017): Self-mode-locked AlGaInP-VECSEL,
    Appl. Phys. Lett. 111, 182105 (https://doi.org/10.1063/1.5010689)
  9. A. Rahimi-Iman (2016): Recent advances in VECSELs, IOP Journal of Optics 18, 093003 (https://doi.org/10.1088/2040-8978/18/9/093003).
  10. A. Rahimi-Iman, M. Gaafar, C. Möller, M. Vaupel, F. Zhang, D. Al-Nakdali, K.A. Fedorova, W. Stolz, E. U. Rafailov, M. Koch (2016): Self-mode-locked vertical-external-cavity surface-emitting laser,
    Proc. SPIE 9734, 97340M (https://doi.org/10.1117/12.2216469) (invited)
  11. A. Rahimi-Iman, M. Gaafar, D. Al Nakdali, C. Möller, F. Zhang, M. Wichmann, M. K. Shakfa, K. A. Fedorova, W. Stolz, E. U. Rafailov, M. Koch (2015): Recent Advances in the Field of Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Lasers,
    Proc. SPIE 9349, 934906 (https://doi.org/10.1117/12.2079182) (invited)
  12. A. Schlehahn, M. Gaafar, M. Vaupel, M. Gschrey, P. Schnauber, J.-H. Schulze, S. Rodt, A. Strittmatter, W. Stolz, A. Rahimi-Iman, T. Heindel, M. Koch, S. Reitzenstein (2015): Single-photon emission at a rate of 143 MHz from a deterministic quantum-dot microlens triggered by a modelocked vertical-external-cavity surface-emitting laser,
    Appl. Phys. Lett. 107, 041105 (https://doi.org/10.1063/1.4927429).

Maschinelles Lernen für Optiken und Bauteile.

 (in Bearbeitung, weiterer Hinweis: Vorübergehende technische Störungen des Content Management System der Webseite scheint behoben.)

Immer mehr Bereiche des Alltags, der Industrie und auch der Wissenschaft profitieren von den Methoden maschinellen Lernens und der computergestützten Datenverarbeitung. Quasi als Megatrend des 21. Jahrhunderts wahrgenommen erfährt der Themenbereich zu „Künstlicher Intelligenz“ (engl.: „artificial intelligence“) – kurz „KI“ (bzw. „ai“) – eine unvergleichliche Aufmerksamkeit in den verschiedensten Disziplinen, auch in der Forschung. Oft wird maschinelles Lernen als Problemlösungsmethode angesehen, welche inspiriert ist durch die künstliche Nachahmung von (humaner) Intelligenz. Das Thema ist eng verknüpft mit der automatisierten Verarbeitung sowohl großer (strukturierter oder unstrukturierter) als auch komplexer Datenmengen – Stichwort „Big Data“ bzw. „Complex Data“.

Revolutioniert KI die Nanophotonik? Zu erwarten:

Künstliche Intelligenz, also KI, verspricht durch neue Verfahren eine Revolution hinsichtlich der Entwicklung und Charakterisierung optischer Bauteile und Laser, oder sie unterstützt die Entdeckung und Optimierung neuartiger Materialien und Werkstoffe. Andererseits sind eine Vielzahl von Klassifizierungsaufgaben mit trainierten neuronalen Netzen in manchen Anwendungen kaum mehr wegzudenken – einige davon naheliegend im Bereich der Informationstechnologien.

Auch maßgeschneiderte Designs von funktionalen (Nano-)Optiken für Anwendungen wie in der Medizin, Raumfahrt oder Quantensensorik können effektiv und zielgerichtet basierend auf maschinellem Lernen herbeigeführt werden. Optimierte 3D-druckbare oder lithografisch herstellbare Photonikkomponenten wie in miniaturisierten Kamerasystemen der Mobiltelefone oder in optoelektronisch integrierten Schaltkreisen zukünftiger Informationstechnologien können bislang unerreichte Kosteneffizienz und Wirksamkeitsmaximierung mittels KI erhoffen.

Komplexe, unintuitive, intelligente Photonik:

Neuartige Optiken wie photonische Kristalle bzw. Resonatoren, Metamaterialien (3D) und Metaoberflächen (quasi-2D) bieten unvorstellbare Möglichkeiten im Einschluss, in der Führung und der Manipulation von Lichtpaketen oder propagierenden Feldern. So kommt einerseits der Gedanke der Lichtbiegung um Objekte herum aus der Forschung zu künstlichen optischen Materialien mit negativem Brechungsindex – in der Regel als Metamaterialien bekannt. Andererseits genießen exotische Bauteile wie sozusagen Lichteinbahnstraßen die Vorzüge geschützter (Rand-)Zustände dank topologischer Kristalle und Phasen von Materie – sowohl natürlicher als auch künstlicher Art.

„Flache Optiken“ mit maßgeschneiderten Eigenschaften versprechen Bündelung und Projektion von Licht bzw. Abbildungen mit minimalen Bauteilvolumina und hohen Auflösungen. In der Regel geschieht dies durch die geschickte Manipulation der Phasenbeziehung einzelner Wellenfronten des einfallenden Lichtbündels bzw. kontrollierte konstruktive/destruktive Interferenzen. Ähnlich steht es um bekanntere Konzepte wie photonische Kristallstrukturen und Mikrokavitäten, die zur Lichtfeldkonzentration (zur Wechselwirkung von Photonen mit polarisierbarer lokaler Materie), Photonenspeicherung (Zwischenlagerung optischer Quantenbits) und Wellenführung (Leitung optischer Informationspakete) erdacht und umgesetzt worden sind.

Durch diverse (nano)photonische 2D/3D Ansätze können unter anderem sowohl breitbandige Optiken (z.B. Weißlichtphotonik), ultraflache Optiken (z.B. kompakte smarte Linsen) als auch strahlformende Optiken (z.B. Daten-Photonik, vgl. Vortexstrahlerzeugung, Lichtstrahlen mit orbitalem Drehmoment, räumlich-zeitliches Multiplexing) erzielt werden. Für solche Zwecke kommen spezielle (ggf. periodische) geometrische und zum Teil auch zunehmend unintuitive Muster zum Einsatz, die wie in Hologrammen eine resonante Wirkweise besitzen können. Verschiedene optische Eigenschaften und Effekte werden in der Fachliteratur für bzw. mit Metamaterialien und –Oberflächen erforscht und ihre Realisierung mit geeigneten Strukturierungsansätzen verfolgt.

Computergestützte Designalgorithmen sind der Schlüssel zur Weiterentwicklung und erfolgreichen Anwendung dieser Konzepte. Diverse Methoden wurden in den vergangenen Jahren entwickelt, wie das aus der Literatur bekannte „Inverse Design“, die „Gradientenoptimierung“, „evolutionäre“ und „gradientenfreie“ Optimierung als auch Optimierung per „neuronales Netz“ – von flache bis tiefe Netze (engl. deep neural networks). Letzteres Konzept kann auf bestärktem oder beaufsichtigtem Lernen beruhen. Zusammengefasst sind diese Methoden unter dem Begriff des „maschinellen Lernens“, einem Teilbereich aus dem Feld der „künstlichen Intelligenz“.

Das Gelernte einsetzen und weiterentwickeln:

Auf dem Weg zur Erforschung bahnbrechender Methoden des maschinellen Lernens im Optikdesign, insbesondere in Hinblick auf sogenannte flache Optiken und Metaoberflächen, wollen wir untersuchen, wie 3D-nanodruckbare Oberflächen mit optischer Funktionalität beziehungsweise speziellen Eigenschaften mittels geeigneter, lernender und bildgebender neuronaler Netze optimiert beziehungsweise sogar vorgeschlagen werden können. Was mit einfachen perzeptronartigen neuronalen Netzen und evolutionären Algorithmen zur Designoptimierung photonischer Oberflächennanostrukturen gelang, kann weiterentwickelt werden für komplexere Nanophotonik.

Designs synthetischer Bauelemente wie Metaoberflächen anhand von Anforderungsprofilen maschinell generieren zu können, wird zukünftig eine Schlüsseldisziplin in der Photonik sein, da die oft unintuitiven Designs solcher Optiken von Menschenhand kaum mehr effektiv erzielbar werden. Ebenso ist das „rapid prototyping“ (schnelle Testen) und die Massenproduktion durch geeignete Strukturierungsverfahren wie dem 3D-Druck (Bottom-Up) beziehungsweise die Maskenlithographie (Top-Down) mit passender Auflösung essentiell. Wir kombinieren beide Aspekte, lernende/generative KI-Modelle und serielle 3D-Photonendruck beziehungsweise die Maskenlithographie, um KI-Methoden anwendungsorientiert zu erforschen sowie die Umsetzbarkeit der entwickelten Methodik an realen greifbaren Beispielen zu demonstrieren.

Meine Arbeitsgruppe möchte mit einem eigenen Projektbereich zur KI-unterstützten Quantennanophotonik die messbare, konzentrierte Ergebnisfindung und Ansatzbewertung mit Blick auf reale Anwendungen mit regionalen und überregionalen Partnern zielführend ermöglichen. Attraktiv und wichtig ist dies in einem global kritischen und doch recht infantilen Stadium im Feld der KI-Forschung für photonische Anwendungen.

Die Untersuchung und Etablierung neuartiger KI-gestützter Designoptimierung mit smartem (bestärktem) Lernen geeigneter, tiefer, neuronaler Netze in der Nanooptik möchten wir beispielsweise für funktionale Metaoberflächen und mikroskalige Photonik erreichen – Methodik, die zudem auch für Freiformoptiken oder computergenerierte Hologramme nützlich sein kann.

KI in der Laserphysik:

Des Weiteren möchten wir als lasererprobte Arbeitsgruppe algorithmische Werkzeuge für die Charakterisierung, Klassifizierung und Einstellung von Laserbetriebsregimen erforschen, bevorzugt auf Grundlage der von uns erforschten VECSEL. Vielversprechend sind dabei für die verstärkte Verwertung dieser Halbleiterscheibenlaser die Klasse selbstmodengekoppelter VECSEL, für die eine Nutzung geeigneter Laserchips sowohl mit optimierten Gewinnbandbreiten als auch verbesserten optischen Dispersionseigenschaften besonders vorteilhaft ist.

Bauteile mit passenden „Kerrlinsen“-Eigenschaften sowie Kavitätskonfigurationen können systematisch auf ihr Ausgangssignal bei verschiedenen Betriebsmodi untersucht werden. Die Emissionscharakteristika können dann mithilfe zuvor erkannter physikalischer Betriebskriterien, einer vernetzten Laserdiagnostik und passender KI-Methoden analysiert, erlernt und später kostengünstig klassifiziert werden.

Zusätzlich zum technologischen Mehrwert werden über unsere Arbeitsgruppenforschung und -Projektarbeit hinaus zukünftige Entwicklungskapazitäten durch trainierte Nachwuchskräfte gestützt.

Gießen, Juli 2022, Arash Rahimi-Iman

 

Abbildungen:

(in Bearbeitung)

Nanophotonik
qnp-group: nanophotonics research and development

Ausgewählte Referenzen:

(in Bearbeitung)

  1. 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).
  2. A. Rahimi-Iman (2021): Self-Mode-Locked Semiconductor Disk Lasers, Kapitel 12 in Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers: VECSEL Technology and Applications, Wiley-VCH, ISBN 978-3-527-41362-1 (https://www.wiley.com/en-be/9783527413621).
  3. A. Rahimi-Iman (2021): Semiconductor Photonics of Nanomaterials and Quantum Structures: Applications in Optoelectronics and Quantum Technologies, Series in Solid-State Sciences 196, Springer Nature, Cham (https://doi.org/10.1007/978-3-030-69352-7), Chapter 5 (https://doi.org/10.1007/978-3-030-69352-7_5).

Special Issue "Recent Advances in Optoelectronic Functional Nano-Materials"

Journal Special Issue Information:

 

„Dear Colleagues,

This Special Issue aims to bringing together professionals and academics performing advanced research on materials with outstanding optical and optoelectronic properties that have the potential to positively shape the information-processing and energy-demanding world of tomorrow. The main purpose is to collect innovative and original contributions targeting modern challenges in optoelectronics and photonics.

Nanomaterials research is highly multidisciplinary and strongly benefiting from international cooperation, and has successfully entered the stage of industrial application. For instance, quantum dots are being utilized as high-brightness high-color-purity luminescent nanostructures for display technologies, and as tailorable light-absorbing structures for highly sensitive photodetectors, and have even been acting as nonclassical light sources for quantum information systems. Similarly, the revisited class of 2D materials with controllable single-layer features that are now increasingly being explored promise a new age of optoelectronic nanodevices. Ultimately, the synthesis of quantum materials, some even with topologically protected properties, has evolved to the extent that mass producibility and device integration have become common topics.

In fact, certain materials (e.g., perovskites) have shown very interesting properties that render them attractive candidates for optoelectronic devices such as solar cells, light-emitting diodes, detectors and lasers, etc. Future on-chip optoelectronic circuitry for computing or possibly biomedical applications may also benefit greatly from recent advances in this overarching field.

Topics of interest include, but are not limited to:”

·       Optoelectronic materials;

·       Semiconductor nanomaterials;

·       Functional optical materials;

·       Photovoltaic materials;

·       Nonlinear optical materials;

·       Quantum materials;

·       Metamaterials;

·       Van-der-Waals Materials;

·       Optical polymers;

·       Terahertz materials.

 

Guest Editors:

Dr. Weiguang Kong

Dr. Weien Lai

Dr. Arash Rahimi-Iman

 

Further information:  

https://www.mdpi.com/journal/materials/special_issues/Recent_Adv_Optoelectron_Funct_Nano_Mater (external link)

 

A special issue of Materials (ISSN 1996-1944, external link). This special issue belongs to the section "Advanced Nanomaterials and Nanotechnology" (external link).

Manuscript submission due date: 10 November 2022

Materials Special Issue Optoelectronic Nano-Materials
Banner Recent Advances in Optoelectronic Nano-Materials - Courtesy of mdpi.com - External Link

Projekte

Laufende Projekte / Current Projects:


  • Untersuchung der Selbst-Modenkopplung in Halbleiterscheibenlasern (DFG) / Investigating Self-Mode-Locking in Semiconductor Disk Lasers
  • Manipulation and Kontrolle von kohärenten Zuständen in Exziton-Polariton Systemen (DFG) / Manipulation and Control of Coherent States in Exciton-Polariton Systems
  • Theoretische und experimentelle Untersuchungen optischer Eigenschaften von 2D-Heterostrukturen (DFG) / Theoretical and experimental study of optical properties of 2D material heterostructures
  • 2D-Materialien-erweiterte Halbleiternanophotonik und Quantentechnologien (DFG) / 2D-materials-enhanced semiconductor nanophotonics and quantum technologies
  • Chinesisch-Deutsche Kooperationsgruppe Functional Nano-Materials Sciences „FNMS-COOP“ (CDZ) / Sino-German Cooperation Group on Functional Nano-Materials Sciences

 

Mit freundlicher Unterstützung seitens / With generous support by the

 

  • der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) / German Research Foundation,

Deutsche Forschungsgemeinschaft: Emblem

  • des Schwerpunktprogramms der DFG: SPP 2244 / Priority Program,

DFG Schwerpunktprogramm SPP 2244: Emblem

  • des Heisenbergprogramms der DFG / Heisenberg Program,

Emblem des Heisenberg-Programms

  • der Rudolf-Kaiser-Stiftung im deutschen Stifterverband / Rudolf-Kaiser Foundation,

Emblem des Deutsches Stiftungszentrum

  • und des Chinesisch-Deutschen Zentrums für Wissenschaftsförderung (CDZ) / Sino-German Center for Research Promotion.

Chinesisch-Deutsches Zentrum für Wissenschaftsförderung: Emmblem

Halbleiterlaserprojekte
Selbstmodenkopplung in Halbleiterscheibenlasern
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2D-Heterostrukturenprojekte
2D-Materialien und ihre Heterostrukturen
Mehr ...
Licht-Materie-Wechselwirkungsprojekte
Starke und schwache Licht-Materie-Wechselwirkungen
Mehr ...
Funktionale Nanomaterialien
Kooperation mit Fokus auf optoelektronische Nanomaterialien
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Informationen zum Preis
Der Presseartikel zum Rudolf-Kaiser-Preis für den Nachweis eines Frequenz-Kamms in einem VECSEL ist als PDF-Download verfügbar (externer Link):
Rudolf-Kaiser-Preis Dr. Arash Rahimi-Iman.

Ein Klick auf das Emblem unten führt zum Presseartikel auf der Webseite des Deutschen Stiftungszentrums: https://www.deutsches-stiftungszentrum.de/aktuelles/2022_07_06_rudolf-kaiser-preis (externer Link).

Pressemeldung und weitere Artikel zur Preisverleihung:
JLU: "Rudolf-Kaiser-Preis für Dr. Arash Rahimi-Iman" | Gießener Anzeiger | Gießener Allgemeine
RUDOLF-KAISER-PREIS
Mit dem Rudolf-Kaiser-Preis wird seit 1989 jährlich ein Nachwuchswissenschaftler für besondere wissenschaftliche Leistungen im Bereich der Experimentalphysik ausgezeichnet.
(Emblem: externer Link zu https://www.deutsches-stiftungszentrum.de/stiftungen/rudolf-kaiser-stiftung)
SAXOPHON-QUARTETT SAXISM
Musikalisch umrahmt wurde die Feierstunde von dem mittelhessischen Saxophon-Quartett Saxism, das unter dem Motto „Jazz meets Classic“ die Musikliteratur aus vier Jahrhunderten glanzvoll aufleben lässt.
(Emblem: externer Link zu http://www.saxism-sq.de/)
Bild- und Tonreportage
Copyrights Multimedia Report and Audio/Visual Illustrations of the Rudolf-Kaiser-Preis Award Ceremony 2022: Arash Rahimi-Iman 2022 ©, all rights reserved / Es handelt sich um urheberrechtlich geschütztes Bild- und Tonmaterial zur multimedialen Berichterstattung und Illustration der Rudolf-Kaiser-Preisverleihung Juli 2022.
First displayed July 2022 on https://arbeitsgruppe.rahimi-iman.de “Rudolf-Kaiser-Preisverleihung – Fotoalbum: Akademischer Festakt anlässlich der Verleihung des Rudolf-Kaiser-Preises an Dr. Arash Rahimi-Iman am 06. Juli 2022 in Gießen“.
Images/Audio: Courtesy of J. Will, S. Rahimi-Iman, and A. Rahimi-Iman. Mit freundlicher Unterstützung von Jan Will Fotografie (Emblem: externer Link zu https://www.jw-studio.de/)
In dieser universitären Forschungsgruppe möchten wir spannende Untersuchungen an neuartigen 2D und quasi-2D Systemen sowie an optischen Bauelementen mit interessanten Licht–Materie-Kopplungsszenarien durchführen. Dabei möchten wir nicht nur Wissen generieren, sondern auch als Ideenfabrik agieren und mit Methodenkompetenz die Demonstration von Konzeptfunktionalitäten ermöglichen, die für Quantenoptikbauteile, Halbleiterlaser und anwendungsorientierte Nanomaterialsysteme von praktischem Nutzen und großer Bedeutung sein können – heute, wie auch zukünftig. Die Forschung zu aktuellen Fragestellungen wird durch Möglichkeiten des 3D-Nanodrucks, der Laserspektroskopie und der Anwendung des maschinellen Lernens im (Nano-)Photonikdesign verstärkt.
Forschungsschwerpunkte / Research Focus:
Halbleiterphotonik,
Laserphysik,
Licht-Materie-Wechselwirkungen,
Maschinelles Lernen,
Nanotechnologie,
Quantenoptik,
Spektroskopie.
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Hier stellt sich in Kürze die Arbeitsgruppe mit weiteren Details und ihren Angehörigen vor. (in Bearbeitung)
Schnell-Link: AG.Rahimi-Iman.de

Ein Link für Interessierte an einer aktiven Mitarbeit in der AG iQNP findet sich hier. / You aim at joining and enhancing the qnpi group's research? See here!
Fourier-Raum Spektroskopie und mehr:
Winkelabhängige Betrachtungen und Fourier-Raum Spektroskopie
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Halbleiterlaser, Quantenlichtquellen und mehr:
Untersuchung und Entwicklung von Mikro-Lasern und nichtklassischer Nano-Lichtquellen
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Künstliche Intelligenz in der Photonik:
Mit künstlicher Intelligenz photonische Bauelemente und Metaoberflächen verbessern
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Forschungsprojekte / Research Projects:
AG Quantennanophotonik - künstliche-intelligenz-verstärkt
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Pressemitteilung zum Rudolf-Kaiser-Preis
Physiker erhält einen der wichtigsten Förderpreise für den wissenschaftlichen Nachwuchs – Wegweisende Forschungen an den Universitäten Marburg und Gießen
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AG iQNP und FNMS-COOP Kontaktdaten

Dr. Arash Rahimi-Iman
Heisenberg-Gruppenleiter: Dr. Arash Rahimi-Iman, habil. rer. nat., Dipl.-Ing.

 

Dr. Arash Rahimi-Iman

Heisenberg-Gruppenleiter

AG Quantennanophotonik & K.I.

I. Physikalisches Institut

Heinrich-Buff-Ring 16

D-35392 Gießen

Tel.: +49 (0) 641 99 33124

Sekr.: +49 (0) 641 99 33101

arash.rahimi-iman [at]

exp1.physik.uni-giessen.de

( ~ [at] physik.jlug.de)

Arash.Rahimi-Iman.de &

Arbeitsgruppe.Rahimi-Iman.de &

FNMS-COOP-Group.Rahimi-Iman.de

Emblem AG Quantennanophotonik & K.I. / quantum nanophotonics ai-enhanced group

AG Rahimi-Iman / Group Members
Personen / Personnel, Guests and Project Partners
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Arash Rahimi-Iman
Gruppenleiter AG Quantennanophotonik
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Rudolf-Kaiser-Preisverleihung
Fotoalbum zum Festakt anlässlich der Verleihung des Rudolf-Kaiser-Preises
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Institutionelles Umfeld
I. Physikalisches Institut: Festkörperphysik
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"Optoelectronic Functional Nano-Materials" Special Issue
AG Rahimi-Iman/FNMS-COOP: ‘Materials’ Journal Special Issue “OE-FNM-SI”
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Übersicht der Anwendungsgebiete, Methodenkenntnisse und Materialklassen
Im folgenden sind einige ausgewählte Themenkomplexe und Interessensgebiete der Arbeitsgruppe aufgeführt, in alphabetischer Reihenfolge gelistet.
Anwendungen/Funktionen
Flache Optiken,
Laser / LEDs / Lichtkämme,
Licht-Materie-Kopplung,
Lichtschaltkreise,
Nanobiophotonik,
Nichtlineare Optiken,
Photovoltaik / Photodetektion,
Quantenemitter.
Methoden
2D-Materialien-Heterostrukturierung,
3D Druck / „Nanoschreiben“,
Mikro- / Nanostrukturierung,
Optische Frequenzkonversion,
Optische Mikro-Spektroskopie,
Optische Interferenz / Dispersion,
(Quanten-)Korrelationen / Photonenstatistik,
„Ultrafast Beam Deflection“ und „Z-Scans“.
Materialklassen
2D-Halbleiter / Graphen / Bornitrid,
III-V Halbleiter,
Metamaterialien,
Nanomaterialien,
Optische Materialien,
Optische Polymere,
Quantenmaterialien,
Übergangsmetalldichalkogenide.

Dr. Arash Rahimi-Iman
Heisenberg-Gruppenleiter: Dr. Arash Rahimi-Iman, habil. rer. nat., Dipl.-Ing.

 

Dr. Arash Rahimi-Iman

Heisenberg-Gruppenleiter

AG Quantennanophotonik & K.I.

I. Physikalisches Institut

Heinrich-Buff-Ring 16

D-35392 Gießen

Tel.: +49 (0) 641 99 33124

Sekr.: +49 (0) 641 99 33101

arash.rahimi-iman [at]

exp1.physik.uni-giessen.de

( ~ [at] physik.jlug.de)

Arash.Rahimi-Iman.de &

Arbeitsgruppe.Rahimi-Iman.de &

FNMS-COOP-Group.Rahimi-Iman.de

Emblem AG Quantennanophotonik & K.I. / quantum nanophotonics ai-enhanced group

FNMS Contents

FNMS: contents

Laufende Projekte / Current Projects:


  • Untersuchung der Selbst-Modenkopplung in Halbleiterscheibenlasern (DFG) / Investigating Self-Mode-Locking in Semiconductor Disk Lasers
  • Manipulation and Kontrolle von kohärenten Zuständen in Exziton-Polariton Systemen (DFG) / Manipulation and Control of Coherent States in Exciton-Polariton Systems
  • Theoretische und experimentelle Untersuchungen optischer Eigenschaften von 2D-Heterostrukturen (DFG) / Theoretical and experimental study of optical properties of 2D material heterostructures
  • 2D-Materialien-erweiterte Halbleiternanophotonik und Quantentechnologien (DFG) / 2D-materials-enhanced semiconductor nanophotonics and quantum technologies
  • Chinesisch-Deutsche Kooperationsgruppe Functional Nano-Materials Sciences „FNMS-COOP“ (CDZ) / Sino-German Cooperation Group on Functional Nano-Materials Sciences

 

Mit freundlicher Unterstützung seitens / With generous support by the

 

  • der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) / German Research Foundation,

Deutsche Forschungsgemeinschaft: Emblem

  • des Schwerpunktprogramms der DFG: SPP 2244 / Priority Program,

DFG Schwerpunktprogramm SPP 2244: Emblem

  • des Heisenbergprogramms der DFG / Heisenberg Program,

Emblem des Heisenberg-Programms

  • der Rudolf-Kaiser-Stiftung im deutschen Stifterverband / Rudolf-Kaiser Foundation,

Emblem des Deutsches Stiftungszentrum

  • und des Chinesisch-Deutschen Zentrums für Wissenschaftsförderung (CDZ) / Sino-German Center for Research Promotion.

Chinesisch-Deutsches Zentrum für Wissenschaftsförderung: Emmblem

Untersuchung der Selbst-Modenkopplung in Halbleiterscheibenlasern (DFG)

Investigating Self-Mode-Locking in Semiconductor Disk Lasers (Research Projects)

Gepulste Halbleiterscheibenlaser ermöglichen die Entwicklung kompakter, kostengünstiger und robuster Femtosekundenlaser. Bisher wurde hierzu ein sättigbarer Absorber in den Resonatoraufbau implementiert, der das Modenkoppeln initiierte. Durch den in diesem Projekt genutzten Prozess der Selbstmodenkopplung von Halbleiterscheibenlasern entfällt die zusätzliche und kostenverursachende Herstellung eines sättigbaren Absorbers, der nur im angestrebten Wellenlängenbereich wirksam werden kann und die maximal mögliche Betriebsleistung darüber hinaus limitiert. Jedoch sind die Ursachen und Mechanismen, die zur Selbstmodenkopplung führen, zu entschlüsseln. Die auf nichtlinearen Effekten beruhende Selbstmodenkopplung wurde bereits für Halbleiterscheibenlaser mit Quantenfilm- oder Quantenpunkt-Verstärkungsmedium erfolgreich demonstriert, unter anderem durch das Projektteam gemeinsam mit Kooperationspartnern. Deshalb sollen laufende Forschungsvorhaben wichtige Untersuchungen am Lasersystem im erzielten Regime der Selbstmodenkopplung adressieren, die Rückschlüsse auf die verantwortlichen nichtlinearen Effekte im Halbleiterscheibenlaser erlauben und die Weiterentwicklung dieser Bauteile zu leistungsstarken, kosteneffizienten Ultrakurzpulslasern für die Forschung und für industrielle Anwendungen ermöglichen.

Anrege-Abfrage Experimente an der aktiven Region während des gepulsten Laserbetriebs können beispielsweise zeitaufgelöste Einblicke in die Dynamik des Verstärkungsmediums geben. Dies ist wichtig, um herauszufinden, inwieweit die Dynamik der Gewinnsättigung zu einem intensitätsabhängigen Brechungsindex führt, welcher Selbstphasenmodulation und Selbstfokussierung zur Folge hat.

Andere experimentelle Untersuchungen am Laserchip ermöglichen die direkte Messung des erwarteten Kerr-Linseneffektes. Wird eine intensitätsabhängige Linsenwirkung festgestellt, so können durch die eingesetzte optische Methodik Rückschlüsse auf den wirksamen nichtlinearen Brechungsindex gezogen werden.

Durch ergänzende Messungen kann zudem die Phaseninformation und der Charakter der gepulsten Emission untersucht und ein Hinweis auf den primären Mechanismus für die Modenkopplung erlangt werden. Ein erstmaliges und nachfolgend auch gereiftes Verständnis der tragenden Mechanismen sind für die Weiterentwicklung vertikalemittierender Laser mit externem Resonator, sogenannte VECSEL, für unterschiedliche spektrale Bereiche und zeitliche Pulslängen bei gleichzeitig hohen Ausgangsleistungen im Bereich mehrerer Watt bedeutsam. Erwartet werden von optimierten Bauteilen zukünftige Spitzenleistungen mit einigen Kilowatt und Pulsdauern von bis zu unter hundert Femtosekunden.

Insbesondere Dank des möglichen Wegfalls der sättigbaren Absorber im Resonatorsystem stehen schließlich durch Überwindung zuvor bestehender Limitationen Durchbrüche im Design kompakter, leistungsfähiger und kosteneffizienter VECSEL für Anwendungen wie die Multiphotonenmikroskopie, die Materialbearbeitung und die optische Spektroskopie bevor. Einen Rekord im Einzelphotonenfluß einer nichtklassischen Quantenpunktlichtquelle getrieben durch einen modengekoppelten Kurzpuls-VECSEL hält das Projektteam in Partnerschaft mit der AG Reitzenstein @TU Berlin.

Ansprechpartner und Projektleiter: Dr. Rahimi-Iman

In Kooperation mit Forschungsgruppen in Deutschland, Europa und den USA, u.a. mit VECSEL Gruppen an der Universität Stuttgart und in New Mexico.

Ausgewählte Publikationen mit Projektbezug:

  1. C. Kriso, A. Barua, O. Mohiuddin, C. Möller, A. Ruiz-Perez, W. Stolz, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2021): Signatures of a frequency-modulated comb in a VECSEL,
    Optica 8, 458–463 (https://doi.org/10.1364/OPTICA.418061 OpenAccess).
  2. C. Kriso, T. Bergmeier, N. Giannini, A. Albrecht, M. Sheik-Bahae, S. Benis, S. Faryadras, E. Van Stryland, D. Hagan, M. Koch, G. Mette, A. Rahimi-Iman (2021): Probing the ultrafast gain and refractive index dynamics of a VECSEL,
    Appl. Phys. Lett. 119(19), 191105 (https://doi.org/10.1063/5.0061346 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/2106.13664).
  3. A. Rahimi-Iman (2021): Self-Mode-Locked Semiconductor Disk Lasers, Book Chapter in Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers: VECSEL Technology and Applications, 2nd edition, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim,
    Print ISBN 978-3-527-41362-1, (https://www.wiley.com/en-be/9783527413621)
  4. C. Kriso, S. Kress, T. Munshi, M. Grossmann, R. Bek, M. Jetter, P. Michler,W. Stolz, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2020): Wavelength and pump-power dependent nonlinear refraction and absorption in a semiconductor disk laser,
    Photonics Technology Letters 32(2), 85–88 (https://doi.org/10.1109/LPT.2019.2957875).
  5. C. Kriso, S. Kress, T. Munshi, M. Großmann, R. Bek, M. Jetter, P. Michler, W. Stolz, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2019): Microcavity-enhanced Kerr nonlinearity in a vertical-external-cavity surface-emitting laser,
    Opt. Express 27, 11914 (https://doi.org/10.1364/OE.27.011914 OpenAccess).
  6. H. Guoyu, C. Kriso, F. Zhang, M. Wichmann, W. Stolz, K. A. Fedorova, A. Rahimi-Iman (2019): Two-chip power-scalable THz-generating semiconductor disk laser,
    Optics Letters 44(16), 4000–4003 (https://doi.org/10.1364/OL.44.004000 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/2102.11406).
  7. R. Bek, M. Großmann, H. Kahle, M. Koch, A. Rahimi-Iman, M. Jetter, P. Michler (2017): Self-mode-locked AlGaInP-VECSEL,
    Appl. Phys. Lett. 111, 182105 (https://doi.org/10.1063/1.5010689)
  8. A. Rahimi-Iman, M. Gaafar, C. Möller, M. Vaupel, F. Zhang, D. Al-Nakdali, K.A. Fedorova, W.Stolz, E. U. Rafailov, M. Koch (2016): Self-mode-locked vertical-external-cavity surface-emitting laser,
    Proc. SPIE 9734, 97340M (https://doi.org/10.1117/12.2216469)
  9. A. Rahimi-Iman, M. Gaafar, D. Al Nakdali, C. Möller, F. Zhang, M. Wichmann, M. K. Shakfa, K. A. Fedorova, W. Stolz, E. U. Rafailov, M. Koch (2015): Recent Advances in the Field of Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Lasers,
    Proc. SPIE 9349, 934906 (https://doi.org/10.1117/12.2079182)
  10. A. Schlehahn, M. Gaafar, M. Vaupel, M. Gschrey, P. Schnauber, J.-H. Schulze, S. Rodt, A. Strittmatter, W. Stolz, A. Rahimi-Iman, T. Heindel, M. Koch, S. Reitzenstein (2015): Single-photon emission at a rate of 143 MHz from a deterministic quantum-dot microlens triggered by a modelocked vertical-external-cavity surface-emitting laser,
    Appl. Phys. Lett. 107, 041105 (https://doi.org/10.1063/1.4927429).

Theoretische und experimentelle Untersuchungen optischer Eigenschaften von 2D-Heterostrukturen (DFG)

Theoretical and experimental study of optical properties of 2D material heterostructures (Research Projects)

Durch den immensen Einsatz lichtbasierter Technologien in unserer modernen Welt ist die Nachfrage nach leistungsfähigen und miniaturisierbaren neuen optischen Materialien stark gestiegen. Gleichzeitig erfährt die Optimierung optischer Bauteile in Bezug auf Energie- und Kosteneffizienz große Beachtung. Niedrigdimensionale Materialien besitzen einzigartige Vorteile gegenüber ihren makroskopischen Gegenstücken und versprechen die Entwicklung von innovativen Technologien der nächsten Generation.

2D-Materialien

Eine entscheidende Chance mit Blick auf die (Nano-)Photonik bieten sogenannte 2D-Materialien. Diese liefern hauchdünne Schichtkristalle, die als einzelne Lage, als „Monolage“, oftmals weniger als 1 nm hoch sind. Beeindruckend simpel können diese von millimeter-großen Kristallen mechanisch abgetrennt sowie auf diversen Oberflächen isoliert und unter dem Mikroskop betrachtet werden. Darüber hinaus ist das monolagengenaue Wachstum diverser 2D-Materialsysteme von Expertengruppen weltweit etabliert worden.

Prominentes Beispiel ist Graphen, eine Monolage Graphit, dem rein kohlenstoffbasierten Material, dass von der herkömmlichen Bleistiftspitze alltäglich bekannt ist. Besondere Eigenschaften weisen geschichtete Materialien wie Graphit umso mehr auf, wenn sie als einzelne Lage isoliert vorliegen (beziehungsweise mit gleichartigen Schichten oder anderen 2D-Kristallen kombiniert werden, wie sich im letzten Jahrzehnt beeindruckend gezeigt hat). Um photonische oder optoelektronische Funktionalitäten solcher Nanomaterialien gezielt zu nutzen, werden rapide und stark expandierend seit Jahren auch Halbleiter dieser Materialfamilie untersucht, da diese geeignete Energiebandlücken für optische Ladungsträgerübergänge bereitstellen.

Gestapelte van-der-Waals Mischstrukturen

Insbesondere die Möglichkeit, 2D Materialien vertikal zu stapeln, bietet enormen Spielraum in Hinblick auf Heterostrukturierung und Energiebandlücken-Konfigurierung der Nanoschichten. Die etablierte Projektforschung widmet sich unter anderem der theoretischen und experimentellen Untersuchung optischer und optoelektronischer Eigenschaften von Monolagen, Bilagen und gestapelter Heterostrukturen der populärsten 2D Halbleiter (WS2, WSe2, MoS2, MoSe2) sowie noch etwas weniger im Rampenlicht stehender Telluride (MoTe2, oder auch GaTe) – gemeinsam mit Partnern weltweit.

Hierbei soll ein besseres Verständnis über diese Materialklasse der Übergangsmetalldichalkogenide (ÜMDs, engl. TMDs oder TMDCs abgekürzt) und deren mögliche Anwendungen erreicht werden, indem untersucht wird, wie/ob- Typ-II Heterostrukturen (z.B. von MoSe2/MoTe2, oder WSe2/WS2) die direkte Bandlücke der entsprechenden Monolagenbestandteile beibehalten und als vielversprechender Kandidat für Photovoltaikbauteilen und Photodetektoren durch den Einsatz von Grenzflächenexzitonen (räumlich indirekten Exzitonen) betrachtet werden können. Ebenso sei geprüft, ob Typ-I Heterostrukturen wie WSe2/MoTe2 als ideale Struktur für niedrigschwellige Laserdioden durch das Vorliegen direkter Exzitonen – sowohl direkt im Real- als auch Impulsraum –  eingestuft werden können.

Heterostrukturierung, die optoelektronische Eigenschaften von Monolagensystemen auf kontrollierbare Art verändert und vor allem bereichert, soll als Gegenstand der Projektforschung Anwendungen wie der Energiegewinnung und Lichterzeugung mit den biegsamen, nanometer-dünnen 2D-Materialien herangeführt werden. Auch spielt das 2D-Material 'hexagonales Bornitrid (h-BN)' aufgrund einzigartiger Eigenschaften und Funktionalitäten als besonderes 2D-Material alleine oder im Verbund mit den anderen 2D-Materialien eine entscheidende Rolle.

Das Verständnis, welche Rolle eine Gitterfehlanpassung beziehungsweise Verdrehung unter den Schichten eines Stapels sowie die dielektrische Umgebung beziehungsweise das eingesetzte Substrat spielt, ist maßgeblich für einen effektiven Einsatz und für die maßgeschneiderte Einstellung der gewünschten Materialeigenschaften. Der optische Zugang und spektroskopische Methoden mögen bei der Einschätzung, Untersuchung sowie Nutzung dieser vielschichtigen Materialsysteme wertvolle Einblicke liefern.

Verlängerungsprojekt beantragt

Die Chance, 2D Materialien vertikal zu stapeln, bietet enorme Möglichkeiten in Hinblick auf Heterostrukturierung und Bandlückenkonfigurierung. Dies kommt nahezu ohne Einschränkungen in Hinblick auf Gitteranpassung, wenn die 3D Welt aus der 2D Ebene wiederbetreten wird. Jedoch können Verdrehungen einzelner Schichten zu einander, den sogenannten „Twists“, die die elektronische Kopplung zwischen den Nanoschichten ändern und sogenannte Moirémuster erzeugen, periodische Potentiallandschaften induzieren. Eine Richtung der Projektfortsetzung beabsichtigt, die optischen Eigenschaften von Monolagenheterostrukturen, in denen CVD-gewachsene und exfolierte Wolframdichalkogenide zum Einsatz kommen, auf ähnliche Weise wie die im Rahmen der überspannenden Projektziele untersuchten anderen Typ-I und Typ-II Übergangsmetalldichalkogenid (ÜMD) Heterostrukturen und Bilagensysteme zu erforschen.

Die Schlüsselmethoden, die in aktuellen Vorhaben zum Einsatz kommen, sind die optische Spektroskopie und die kontrollierte Herstellung von Van-der-Waals (VdW) Stapel in Umgebungsluft oder unter einer Schutzatmosphäre, gegebenenfalls durch einen Einschluss mit hexagonalem Bornitrid (hBN). Zur Charakterisierung der Exzitonmoden kommen zeitauflösende, zeitmittelnde oder winkelauflösende optische Spektroskopie ins Spiel, unterstützt durch Mikro-Ramanspektroskopie zur Analyse von Materialverspannungen und Schichteigenschaften.

Erfolgreich im Verbund forschen

Das Zuspiel seitens theoretisch und experimentell forschender Kooperationspartner möge hier die Beurteilung optoelektronischer Merkmale beziehungsweise Nanostruktureigenschaften unterstützen, welche später in Nachfolgeprojekten für photonische Bauteile basierend auf grenzflächigem Ladungstransfer und Heterostruktur-Moirézuständen genutzt werden können. Im Wesentlichen möchten wir mit unseren Projektarbeiten und als Teil des Schwerpunktprogramms SPP2244 verstehen, in wie fern/wie, kurzgefasst, ÜMD Heterostrukturen (aus Monolagen bestehend) durch den Verdrehungswinkel einstellbare optische Eigenschaften besitzen beziehungsweise Verbesserungen, Verschlechterungen oder sonstige relevante Veränderungen erfahren, welche auf mögliche Phasenraumfehlanpassung, elektronische Hybridisierung, induzierte Potentiallandschaften beziehungsweise Gitterrekonstruktionen zurückgeführt werden könnten.

Ein besseres Verständnis des Grenzflächensystems und des Ladungstransfers oder der Exziton-Eigenschaften kann beispielsweise für zukünftige Anwendungen mit photonisch-integrierten 2D-Nanomaterialien wichtig sein, wie die Photovoltaik, Lichtdetektion oder -Erzeugung. Es stellt wahrlich die Optimierung optischer Bauteile in Bezug auf Energie- und Kosteneffizienz mit speziell konzipierten niedrigdimensionalen Materialsystemen basierend auf extrem dünnen Schichten – sub-nanometer-hoher Kristallfilme – in Aussicht.

 

Ansprechpartner und Projektleiter: Dr. Rahimi-Iman

In Kooperation mit Forschungsgruppen in Deutschland, China und den U.S.A, u.a. im DFG Schwerpunktprogramm SPP2244 und in der Chinesisch-Deutschen FNMS-COOP Gruppe.

Ausgewählte Publikationen mit Projektbezug:

  1. S. Qin, K. Li, J.  Zhu, H. Xu, N. Ali, A. Rahimi-Iman, H. Wu (2021): A new strategy to improve the performance of MoS2-based 2D photodetector by synergism of colloidal CuInS2 quantum dots and surface plasma resonance of noble metal nanoparticles, Journal of Alloys and Compounds 856, 158179 (https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.158179).
  2. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2020): Optical dispersion of valley-hybridised coherent excitons with momentum-dependent valley polarization in monolayer semiconductor, 2D Materials 8, 015009 (https://doi.org/10.1088/2053-1583/abb5eb OpenAccess).
  3. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2020): Direct Measurement of the Radiative Pattern of Bright and Dark Excitons and Exciton Complexes in Encapsulated Tungsten Diselenide,
    Sci. Rep. 10, 8091 (https://doi.org/10.1038/s41598-020-64838-z OpenAccess).
  4. M. Shah, L. M. Schneider, A. Rahimi-Iman (2019): Observation of Intralayer and Interlayer Excitons in Monolayered WSe2/WS2 Heterostructure,
    Semiconductors 53, 96 (https://doi.org/10.1134/S1063782619120273).
  5. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2019): Shedding light on exciton’s nature in monolayer quantum material by optical dispersion measurements, Opt. Express 27, 37131 (https://doi.org/10.1364/OE.27.037131 OpenAccess).
  6. L. M. Schneider, J. Kuhnert, S. Schmitt,W. Heimbrodt, U. Huttner, L. Meckbach, T. Stroucken, S. W. Koch, S. Fu, X. Wang, K. Kang, E.-H. Yang, A. Rahimi-Iman (2019): Spin-Layer and Spin-Valley Locking in CVD-Grown AA’- and AB-Stacked Tungsten-Disulfide Bilayers, J. Phys. Chem. C 123, 21813 (https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b07213 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/1905.02814).
  7. J. Kuhnert, A. Rahimi-Iman, W. Heimbrodt (2017): Magneto photoluminescence measurements of tungsten disulphide monolayers, J. Phys.: Cond. Matt. 29, 08LT02 (https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa55a9 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/1609.09312).
  8. P. Lu, J. Lang, Z. Weng, A. Rahimi-Iman, H. Wu, (2017): Hybrid Structure of 2D Layered GaTe with Au Nanoparticles for Ultrasensitive Detection of Aromatic Molecules, ACS Applied Materials Interfaces 10, 1356–1362 (https://doi.org/10.1021/acsami.7b14121).
  9. S. Lippert, L. M. Schneider, D. Renaud, K. N. Kang, O. Ajayi, M. Halbich, O. M. Abdulmunem, X. Lin, J. Kuhnert, K. Hassoon, S. Edalati-Boostan, Y. D. Kim, W. Heimbrodt, E.-H. Yang, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2017): Influence of the Substrate Material on the Optical Properties of Tungsten Diselenide Monolayers,
    2D Materials 4, 025045 (https://doi.org/10.1088/2053-1583/aa5b21 OpenAccess).
  10. R. Li, L. M. Schneider, W. Heimbrodt, H. Wu, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2016): Gate tuning of Förster Resonance Energy Transfer in a Graphene - Quantum Dot FET Photo-Detector, Scientific Reports 6, 28224 (https://doi.org/10.1038/srep28224 OpenAccess).

Manipulation und Kontrolle von kohärenten Zuständen in Exziton-Polariton Systemen (DFG)

Manipulation and Control of Coherent States in Exciton-Polariton Systems (MacExP) (Research Project)

Exziton-Polaritonen, teils Licht, teils Materie, können durch optische Pulse einerseits angeregt und andererseits manipuliert oder kontrolliert werden. Um diese Polaritonen effektiv und zielgerichtet untersuchen zu können, bedarf es sowohl der starken Licht-Materie Kopplung in optischen Mikrokavitäten mit eingebetteten elektronischen Quantenstrukturen als auch der (optischen) winkelaufgelösten Spektroskopie zur Abtastung des sogenannten Fourier-Raums (auch als Phasenraum oder „k-Raum“ bekannt).

Ihre hybride Natur verleiht Polaritonen spezifische Vorteile gegenüber anderen Quasiteilchen in Halbleiterkristallsystemen, sowohl im linearen als auch nichtlinearen Regime. Mit ihnen gelang unter anderem die Demonstration dynamischer Bose-Einstein-artiger Kondensate, auf deren Grundlage sowohl die Erforschung von neuartigen Quantenflüssigkeiten in Festkörpern als auch elektrisch betriebener Polariton-Laser ermöglicht wurde. Auch optisch/elektromagnetisch zugängliche beziehungsweise kontrollierbare Quantenbits (Qubits), oder Quantensimulatoren, könnten auf ihnen beruhen, was sie attraktiv für die photonische Quanteninformationsverarbeitung macht.

Quasiteilchen:

In Halbleitern ruft die starke Kopplung von Exzitonen und Photonen durch kohärente Überlagerung zwei neue Eigenmoden des Systems hervor, die zuvor benannten Exziton-Polaritonen – aufgrund der oft essentiellen Lichtfeldlokalisierung in mindestens einer Raumrichtung in geeigneten optischen Resonatoren auch als Kavitäts-Polaritonen bekannt. Das Entstehen dieser Quasiteilchen ist sowohl für die grundlegende als auch angewandte Forschung von Bedeutung. Mittels des Exzitonenanteils des gekoppelten Systems erfolgen starke Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen, während ihre hohe Mobilität in den übrigen "freien" Raumrichtungen auf die sehr niedrige effektive Masse und auf den photonischen Anteil zurückzuführen sind.

Basierend auf diesen (Quasi-)Teilchen – "quasi" wegen ihres Vorliegens im Wirtkristall im Gegensatz zu Teilchen des Vakuums – entwickelte sich das Forschungsfeld der Polaritonkondensation in den letzten zwei Jahrzehnten im Anschluss an die erstmalige Demonstration der Bose-Einstein-Kondensation verdünnter Gase bei extrem tiefen Temperaturen. Die Polaritonkondensation als größerer Durchbruch in Hinblick auf Quasiteilchen in Festkörpern führte zu einer weitreichenden Erforschung von kondensationsbezogener Phänomene und Phasenübergänge, wie die spontane Ausbildung von Kohärenz, Superfluidität und Supraleitung. Sogar der Einsatz von Qubits basierend auf Polariton-Rabi-Oszillationen wurde untersucht und neuartige Lichtquellen wie Polariton-Laser oder bosonische Terahertz-Laser konzipiert. Zudem sind Polaritongase und –kondensate in (künstlichen) periodischen (Mikro-)Strukturen für neuartige Bauteile mit topologisch-geschützten Funktionalitäten oder für wechselwirkungsfähige lichtgestützte Quantensimulatoren attraktiv geworden.

Wechselwirkung mit THz-Feldern:

In den letzten Jahren haben sich die Bemühungen zur experimentellen Verknüpfung von Polaritonsystemen mit transienten Feldern der THz-Strahlung verstärkt, damit die Wechselwirkungen von THz-Pulsen und Quantenfilm-Mikrokavitätssystemen für die Entwicklung neuartiger Bauteile nutzbar werden. Die laufende Projektforschung zielt darauf ab, darüberhinausgehend ein besseres Verständnis zu erlangen, wie die Wechselwirkung von THz-Strahlung und Polaritongasen die kohärenten Zustände sowohl im linearen als auch im nichtlinearen Regime beeinflusst. Dies soll den Weg zu ultraschneller Manipulation und Kontrolle von Licht-Materie-Kopplung und die Entwicklung von zukünftigen THz-Erzeugungskonzepten auf Basis von Exziton-Polaritonen ebnen. Insbesondere steht hierbei die systematische Untersuchung THz-induzierter Effekte in verschiedenen Konfigurationen mittels Ultrakurzeit-Spektroskopieexperimenten und Mikrokavitätspolaritonen im Fokus der Projektforschung.

Die digitale „off-axis“ Holographie ermöglicht uns die direkte optische Messung von Rabi-Oszillationen mit sub-ps Zeitauflösung, weshalb die Effekte eines transienten THz-Pulses auf den kohärenten Energieaustausch zwischen Exziton und Photon untersucht werden können. Zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen gewähren zudem weitere Einblicke in die Dynamik von Polaritonkondensaten, wie beispielsweise hier unter Einfluss des elektrischen Feldes eines THz-Pulses. Somit kann die Wirkung von transienten elektrischen Feldern auf Polaritonkondensate, welche bereits als einzigartige Plattform für die Erforschung von Kondensationseffekten in Festkörpern anerkannt sind, von komplementären Blickwinkeln ermittelt werden.

In diesem Zusammenhang möchten wir die ultraschnelle optische Schaltung zwischen kondensierten und unkondensierten Polaritonen oder polaritonischer und photonischer Emission erproben, um das Verständnis von Phänomenen in Bezug auf THz-Exziton-Polariton Kopplung signifikant zu erweitern und die zukünftige Verwertung dieser Effekte in neuen optischen Quantentechnologien zu unterstützen.

Ansprechpartner und Projektleiter: Dr. Rahimi-Iman

In Kooperation mit dem Advanced Photonics Lab am Institute of Nanotechnology, CNR NANOTEC, Lecce, Italien.

(Seite in Bearbeitung)

 

2D-Materialien-erweiterte Halbleiternanophotonik und Quantentechnologien (DFG)

2D-materials-enhanced semiconductor nanophotonics and quantum technologies (Research Projects)

Die Halbleiterphotonik und Quantentechnologien der ersten sowie zweiten Generation haben einen großen Beitrag zur modernen wissenschaftlichen und industriellen Entwicklung der letzten Jahrzehnte geleistet. Darunter ermöglichten sie optische, elektronische und optoelektronische Werkzeuge und Bauteile, welche einen starken Einfluss auf den Alltag des Menschen und auf die Wechselwirkung mit der Natur haben, mit unter anderem weitreichender Wirkung in Bezug auf die Informationsverarbeitung, Kommunikation, industrielle Produktion sowie medizinische Anwendungen. Demzufolge ist ein erkennbarer Schwerpunkt aktueller Forschungsbemühungen global, den stetigen Fortschritt an der Wissenschafts- und Ingenieursfront zu gewährleisten.

Flüchtiger Blick in die Quantenwelt:

Die Untersuchung von Quantenstrukturen und das Verständnis von Quantenphänomenen, beziehungsweise ihr praktischer Einsatz, sind ein wesentlicher Bestandteil der zeitgemäßen Forschung in den zwei einleitend genannten Schlüsseldisziplinen.

Zum Beispiel sind quantisierte Zustände in Nanokristallen und sogenannten Quantenpunkten im Fokus der Entwicklung von Einzelphotonenquellen und verschränkter Photonenpaare. Andererseits gibt es exotische Materiezustände, darunter Bose-Einstein-Kondensate, Superfluide und Supraleiter, die als aufsehenerregende Quantenregime kondensierter Materie mit ihren (außergewöhnlichen) Teilchenkorrelationen / Quantenkohärenz neue Bauelemente wie kohärente Lichtquellen, widerstandslose Stromleiter / reibungsfreie Fluide (im Allgemeinen Medien mit verlustarmer Energieübertragung) oder die noch in vieler Hinsicht exotischen Quantenbits (für neuartige Computer) versprechen.

Viel (Spiel-)Raum im Nanokosmos:

Ebenso wichtig für die schnelle Entwicklung oben genannter Technologien ist die Entdeckung neuartiger (halbleitender) Materialien und ihr angemessener Einsatz, beispielsweise mithilfe speziell optimierter, photonischer oder optoelektronischer Bauteile und Nanostrukturen.

Die monolagengenaue Kristallepitaxie und nanoskalenpräzise Photo- bzw. Elektronenstrahl-Lithographie bieten in vielen Bereichen moderner Nano- und Quantentechnologien unverzichtbare Herstellungsmethoden, während Selbstorganisationsansätze oder andere ‚Bottom-Up‘-Methoden zur Herstellung von Nanopartikeln und Schichtsystemen neue Gestaltungsmöglichkeiten liefern, beispielsweise mit van-der-Waals Materialien, Kolloide, Dielektrika oder dünnen Molekülfilmen.

Da makroskopische Materialien als (funktionalisierte) Nano(hetero)strukturen oft besondere und nicht selten wohldefinierte (einstellbare) optische, elektronische oder vibronische Eigenschaften aufweisen, ist der Materialstruktur- und Niederdimensionalitätsaspekt für viele Nano- und Quantentechnologien sehr bedeutsam.

Zwischenfazit:

Deshalb ist insgesamt die interdisziplinäre Arbeit an der Schnittstelle zwischen der Quantenphysik, Nanotechnologie, Materialwissenschaft und Photonik unausweichlich, besonders in Hinblick auf das Fortbestehen technologischen Fortschritts und technologischer Unabhängigkeit.

Quantennanophotonik:

Die wesentlichen wissenschaftlichen Vorhaben im Themenfeld der Nanophotonik-, Laser- und Quantenoptik- beziehungsweise Quantenstruktur-Forschung in der AG Rahimi-Iman sind besonders auf die kooperativ verfolgten Zielen der FNMS-COOP Gruppe und Fragestellungen fortschreitender Forschungsprojekte abgestimmt. Die Projektarbeiten samt der vielfältig kombinierten Methodik ergänzen einander oder verknüpfen die im Detail unterschiedlich akzentuierten Explorationen synergetisch, zielführend und erkenntnisbringend. Der Einsatz über mehrere Jahre angeeigneter Kompetenzen und Forschungsmethoden sowie die Weiterbildung von Nachwuchskräften ermöglicht dabei eine nachhaltige und effiziente Entwicklung der wissenschaftlichen Aktivitäten und die Vermittlung von Fachkenntnissen, auch über den Forschungsraum hinaus.

Die Forschung dieser Arbeitsgruppe befasst sich dabei primär mit grundlegenden und anspruchsvollen Studien an optisch-aktiven Nanomaterialien, ‚valleytronischen‘ Materialien, photonischen Mikro- und Nanobauteilen sowie Quantenstruktursystemen für zukünftige Anwendungen wie die integrierte Photonik, nichtlineare Optik, nichtklassische/quantenmechanische Lichterzeugung und der Entwicklung beziehungsweise dem Einsatz von Lasern.

Unter anderem möchten wir spannende Untersuchungen an neuartigen 2D und quasi-2D Systemen mit eigenartigen Resonanzen oder Quantenemittern sowie an optischen Bauelementen mit interessanten Licht–Materie-Kopplungsszenarien durchführen. Unsere Forschung zu aktuellen Fragestellungen wird durch die Möglichkeiten des 3D-Nanodrucks, der Laserspektroskopie und der Anwendung des maschinellen Lernens im (Nano-)Photonikdesign verstärkt.

Die freie, selbständige, kreative und auf eigene Kapazitäten konzentrierte Arbeit in diesen wichtigen Themengebieten im Verbund mit lokalen und überregionalen Partnern ist besonders durch die Förderung der Grundlagenforschung seitens der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt, deren mehrfache Förderung die Heisenberg-Arbeitsgruppe genießt.

 

(Seite in Bearbeitung)

siehe auch Manipulation und Kontrolle von kohärenten Zuständen in Exziton-Polariton Systemen (DFG)

Ansprechpartner und Projektleiter: Dr. Rahimi-Iman

In Kooperation mit Forschungsgruppen in Deutschland, China und den U.S.A, u.a. im DFG Schwerpunktprogramm SPP2244 und in der Chinesisch-Deutschen FNMS-COOP Gruppe.

 

Ausgewählte Publikationen mit Projektbezug:

  1. O. Mey, A. Rahimi-Iman (2022): Machine Learning-Based Optimization of Chiral Photonic Nanostructures: Evolution- and Neural Network-Based Designs, Phys. Status Solidi RRL 2100571 (https://doi.org/10.1002/pssr.202100571 OpenAccess)
  2. A. Rahimi-Iman (2021): Semiconductor Photonics of Nanomaterials and Quantum Structures: Applications in Optoelectronics and Quantum Technologies, Series in Solid-State Sciences 196, Springer Nature, Cham (https://doi.org/10.1007/978-3-030-69351-0).
  3. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2020): Optical dispersion of valley-hybridised coherent excitons with momentum-dependent valley polarization in monolayer semiconductor, 2D Materials 8, 015009 (https://doi.org/10.1088/2053-1583/abb5eb OpenAccess).
  4. 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, 2100182 (https://doi.org/10.1002/pssr.202100182 OpenAccess).
  5. J. Zhu, H. Xu, Z. Wang, Y. Chen, S. Ma, N. Ali, H. Zhu, A. Rahimi-Iman, H. Wu (2020): Lateral photovoltaic mid-infrared detector with a two-dimensional electron gas at the heterojunction interface, Optica 7, 1394–1401 (https://doi.org/10.1364/OPTICA.398135)
  6. A. Rahimi-Iman (2020): Polariton Physics: From Dynamic Bose–Einstein Condensates in Strongly-Coupled Light–Matter Systems to Polariton Lasers, Springer Series in Optical Sciences 229, Springer Intern. Publ., Cham (https://doi.org/10.1007/978-3-030-39333-5).
  7. 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).
  8. P. Qing, J. Gong, X. Lin, N. Yao, W. Shen, A. Rahimi-Iman, W. Fang, L. Tong (2019):
    A simple approach to fiber-based tunable microcavity with high coupling efficiency,
    Appl. Phys. Lett. 114, 021106 (https://doi.org/10.1063/1.5083011).
  9. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2019): Shedding light on exciton’s nature in monolayer quantum material by optical dispersion measurements, Opt. Express 27, 37131 (https://doi.org/10.1364/OE.27.037131 OpenAccess).
  10. 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, 5259 (https://doi.org/10.1021/acsnano.8b09659 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/1812.10286).

Team

AG Angehörige

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Dr. Arash Rahimi-Iman
Heisenberg-Gruppenleiter: Dr. Arash Rahimi-Iman, habil. rer. nat., Dipl.-Ing.

 

Dr. Arash Rahimi-Iman

Heisenberg-Gruppenleiter

AG Quantennanophotonik

I. Physikalisches Institut

Heinrich-Buff-Ring 16

D-35392 Gießen

Tel.: +49 (0) 641 99 33124

Sekr.: +49 (0) 641 99 33101

arash.rahimi-iman [at]

exp1.physik.uni-giessen.de

( ~ [at] physik.jlug.de)

Arash.Rahimi-Iman.de &

Arbeitsgruppe.Rahimi-Iman.de &

FNMS-COOP-Group.Rahimi-Iman.de

Mitteilungen:

 

Dies ist die online Repräsentation der AG Rahimi-Iman "Quantennanophotonik" am I. Physikalischen Institut Giessen und ist derzeit im Entstehen.

 

Ausgewählte Publikationen

 

  • 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
    (DOI: 10.1002/pssr.202100571).
  • 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
    (DOI: 10.1002/pssr.202100182).
  • 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
    (DOI: 10.1021/acsnano.8b09659).

 

Kontakt

 

Dr. Arash Rahimi-Iman

Heisenberg-Gruppenleiter

Quantum Nanophotonics Group

I. Physikalisches Institut

Tel.: +49 (0) 641 99 33124

Sekr.: +49 (0) 641 99 33101

Arash.Rahimi-Iman [ at ] exp1.physik.uni-giessen.de

 

 

Änderungen und Irrtümer vorbehalten.

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