Zentraler Bestandteil dieser Arbeit ist die Untersuchung der Lokalisierung von elektromagnetischen Feldern in zufällig angeordneten dielektrischen Strukturen. Der zugrunde liegende physikalische Prozess der Anderson-Lokalisierung ist die kohärente Vielfachstreuung von Wellen und deren Interferenz. Die auf diese Weise hervorgerufene Lokalisierung erfolgt auf Sub-Wellenlängen Längenskalen, im Falle von Licht im Nanometerbereich. Dabei finden die Streuprozesse auf Zeitskalen von wenigen Femtosekunden statt. Die zeitaufgelöste Untersuchung von Nanostrukturen hinsichtlich ihrer Lokalisierungseigenschaften mit ultrakurzen Laserimpulsen in Verbindung mit hochaufgelöster Mikroskopie stellt die eigentliche Innovation dar. Die experimentelle Verifikation erfolgt unter Verwendung eines 2-Photonen-Mikroskops in Kombination mit einem interferometrischen Autokorrelator. Zufällig angeordnete Zinkoxid-Nanonadeln stellen dabei ein ideales Material zur Untersuchung der raum-zeitlichen Lokalisierungsdynamik von Licht dar. Untersuchungen an diesen Nanostrukturen zeigen dabei stark lokalisierte Photonmoden (Hotspots) mit verlängerten Lebenszeiten im fs-Bereich. Dabei ermöglicht die Untersuchung der räumlichen Feldverteilung und deren Fluktuation die Klassifizierung der Lokalisierungsstärke. Die gemessenen Photonmoden lassen sich somit in den Bereich der starken Lokalisierung einordnen. Dabei sind die Stärke der Lokalisierung und die Lebenszeit der Photonmode miteinander korreliert. Die Stärke der Lokalisierung hängt von vielen Faktoren, wie dem Durchmesser der einzelnen Nadeln sowie deren Abstand zur nächsten Nadel, ab. Dies bezüglich konnte gezeigt werden, dass die geometrischen Eigenschaften der Nadeln und ihre räumliche Verteilung entscheidende Faktoren für die Lokalisierung sind. Des Weiteren wurden goldbeschichtete Zinkoxid-Nanonadeln mit einem Photo-Emissions-Elektronen-Mikroskops (PEEM) untersucht. Diese Methode ermöglicht die Charakterisierung der von den Nadeln emittierten Elektronen und damit die Charakterisierung der lokalen elektrischen Felder mit noch höherer räumlicher Auflösung. Die im Falle dieser Arbeit verwendeten Laser Intensitäten liegen weit unterhalb der Schwelle für einen "random laser", jedoch kann eine solche Probe von Zinkoxid Nanonadeln bei hinreichend hoher Pumpleistung auch zum lasen angeregt werden. Unter Verwendung der zeitaufgelösten 2-Photonen-Mikroskopie konnte zum ersten Mal die raum-zeitliche Dynamik der Lokalisierung von Licht experimentell verifiziert werden. <dt.>
The main research aspect of this thesis is experimental evidence for the spatial and temporal localization dynamics of light in strongly scattering, randomly arranged dielectric media. The physical concept is the Anderson localization, an interference phenomenon based on multiply scattered electromagnetic waves. The localization of light occurs on subwavelength length scales of a few hundred nanometers. For this reason the scattering events occur on timescales of a few femtoseconds. The combination of time-resolved experiments using ultrashort laser pulses and high-resolution optical microscopy to examine the localization properties of nanostructures is the key method and innovation presented in this thesis. It is based on a technique of ultra fast second harmonic microscopy and interferometric autocorrelation. Randomly distributed zinc oxide nano-needles turned out to be well suited for the investigation of the localization of light. The investigation of these nanostructures showed strongly localized photon modes (hotspots) with increased photon mode lifetimes. The fluctuations of the local electric field allow the classification of the localization strength. The localized photon modes can be classified into the regime of strong localization (Anderson localization). This shows that the localization strength and the photon mode lifetime are correlated. Many parameters influence localization, like the diameter of the needles and the distance to another adjacent needle. Therefore, the geometric shape and distribution of the needles scattering the light is crucial for the localization. Furthermore, gold coated zinc oxide nano-needles have been investigated with a higher spatial resolution by using a photo-emission electron microscope (PEEM). It allows the detection of localized electron emission generated by localized light and surface plasmon polaritons. Within this work, the used laser intensities are kept below the threshold to avoid "random lasing" from the sample. Nevertheless even random lasing can be observed by using higher intensities to pump the nano-needle array. By using the above mentioned techniques, we were able to verify the spatial and temporal dynamics of the localization of light for the first time. <engl.>
Auch als elektronisches Dokument verfügbar: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.201200228/full
Multiple coherent scattering gives rise to a variety of localization phenomena. However, the localization of electromagnetic waves is notoriously hard to observe. Here, hotspots found in optical wavefunctions in the visible range in random zinc-oxide nano-needle arrays are discussed. In particular, results from 3D and 2D calculations of light localization in random arrays of dielectric cylinders are compared. While 3D calculations with periodic boundary conditions reproduce various aspects of the experimental results very well, open boundary 2D calculations proof the coexistence of propagating and lossy localized modes showing distinct hot-spots.
Annalen der Physik Berlin : Wiley-VCH, 1799 525(2013), 1/2, Seite 199-204
Auch als elektronisches Dokument verfügbar: http://www.dpg-verhandlungen.de/2010/regensburg/ds28.pdf
Deutsche Physikalische Gesellschaft Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft Bad Honnef : DPG, 1899 Reihe 6, Bd. 45.2010, 3, DS 28.5 und O 53.5
