Semi-analytic modeling of stacked metasurfaces

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines semi-analytischen Models mehrschichtiger nano- strukturierter Oberflächen. Einzelne Schichten werden hierbei in Forschungsgemeinschaft als “Metasurface” bezeichnet. In Folge nennt man Schichtsysteme aus Metasurfaces “Metasurface Stacks” oder “Stacked Metasurfaces”. Das besondere an Metasurfaces liegt an einer speziellen Art der Licht-Materie-Wechselwirkung. Im Gegensatz zu herkömmlichen, natürlich vorkommenden optischen Materialien, welche im Wesentlichen durch ihre atom- und molekularphysikalischen Eigenschaften wechselwirken, besitzen Metasurfaces mesoskopische Strukturen. Diese haben Größen, die der von Lichtwellen entsprechen. Dadurch entstehen zum einen Streuphänomene die komplexe Feldwechselwirkungen erzeugen. Darüberhinaus sorgen evaneszente Felder, die auf der Oberfläche der Nano-Strukturen angeregt werden können, für ein geändertes Resonanzverhalten, welches sich durch verschiedene Reflektions- und Absorptionseigenschaften auszeichnet. Sind die Strukturen einer Metasurface periodisch angeordnet lassen sich die dort angeregten Felder durch sogenannte Bloch-Moden beschreiben. Diese sind periodische Feldlösungen der Maxwell-Gleichungen. Betrachtet man nun die Gesamtheit aller Bloch-Moden der Metasurface, kann man eine dominante Mode mit, im Vergleich zu allen anderen, maximalem Energietransport in das Fernfeld identifizieren. Diese nennt man in der Literatur Fundamentalmode. Ist die Metasurface so beschaffen, dass bei Wechselwirkung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge diese Fundamentalmode signifikant alle anderen Moden dominiert und letztere stark dämpfen, das heißt evaneszent abfallen, so kann das betreffende Medium als homogen gedeutet werden. Darauf basierend wurde in der vorliegenden Arbeit ein semi-analytisches Model von Stacked Metasurfaces entwickelt, welches verschiedenen experimentellen Tests stand hielt. Ein besonderer Erfolg liegt in der Erweiterung des Modells zur Untersuchung von Feynman-Pfaden.