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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur reversiblen Abstimmung der elektrischen Feldstärke, der Polarisationszustände, der Resonanzfrequenz, der Ausdehnung und der Position eines optischen Nahfeldes mit Ausdehnungen kleiner als der Beugungsgrenze.
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Kollektive Anregungen von freien Elektronen in Metallen zu Plasmaschwingungen gegen die Ionenrümpfe werden in der Festkörperphysik als Plasmonen bezeichnet. Oberflächenplasmonen sind Oberflächenwellen (evaneszente Wellen), bei denen die longitudinalen elektronischen Schwingungen parallel zur Oberfläche eines Metalls angeregt werden. Die resultierende elektrische Feldstärke ist im Raum über der metallischen Oberfläche verstärkt.
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Oberflächenplasmonen lassen sich unter bestimmten Bedingungen mit Licht anregen. Auch wenn die Energie der Lichtquanten im Bereich der Energien von Oberflächenplasmonen ist, kann ein einfallender Lichtstrahl normalerweise kein Oberflächenplasmon anregen, weil erstens Oberflächenplasmonen in Metallen eine geringere Phasengeschwindigkeit als die Lichtgeschwindigkeit haben. Daher stimmt der Wellenvektor (Impuls) des Lichts und des Oberflächenplasmons nicht überein. Zweitens ist ein Oberflächenplasmon eine evaneszente Welle, hat also einen rein imaginären Wellenvektor senkrecht zur Oberfläche. Eine Einkopplung kann jedoch nur stattfinden, wenn alle Komponenten des Wellenvektors, sowohl parallel als auch senkrecht zur Oberfläche, gleich sind. Insbesondere muss also die anregende Welle selbst eine evaneszente Welle sein. Ein gängiges Verfahren ist dabei die Prismenkopplung. Dieses Verfahren nutzt die Totalreflexion und die dabei entstehenden evaneszenten Wellen, sowie die Unterschiede in der Lichtgeschwindigkeit in zwei Dielektrika als auch die Gitterkopplung, bei der ein Vektor des reziproken Gitters zum Wellenvektor addiert wird. Die Anregung von Oberflächenplasmonen durch Licht ist mit geringerer Effizienz auch an lokalen Defekten der Metalloberfläche oder nichtperiodischen Strukturen (Kanten, Liniendefekten) möglich. Die gleichen Methoden erlauben es auch, Licht aus Oberflächenplasmonen auszukoppeln.
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Oberflächenplasmonen können auch durch Elektronen angeregt werden, diese können Energie und Impuls an ein Oberflächenplasmon abgeben.
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(https://de.wikipedia.org/wiki/Oberflächenplasmon)
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In Analogie zu TV- oder Radioantennen gibt es auch für sichtbares Licht geeignete Antennen. Mit diesen kann die Energie eines Lichtfeldes konzentriert bzw. in kollektive Schwingungen der freien Elektronendichte von Metallpartikeln (Plasmonen) umgewandelt werden. Wegen der sehr kurzen Wellenlängen von Licht müssen solche Antennen entsprechend klein sein. Die Entwicklung der Nanotechnologie ermöglicht es, solche plasmonischen Nanostrukturen kontrolliert herzustellen.
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Plasmonische Nanostrukturen, wie beispielsweise plasmonische Nanoantennen, Subwellenlängenöffnungen und plasmonische Wellenleiter, sind bekannt dafür, lokalisierte elektromagnetische Nahfeldstrahlung mit Ausdehnungen kleiner als der Beugungsgrenze zu erzeugen.
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Lichtkonzentrationspunkte im Sinne dieser Erfindung sind eine Form der lokalisierten Nahfeldstrahlung mit Ausdehnungen kleiner als der Beugungsgrenze.
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Lichtkonzentrationspunkte werden in neu entstehenden Nano-Anwendungen, wie der hitzeunterstützten magnetischen Aufzeichnung, eingesetzt.
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Aus der
EP 3 220 133 A1 ist ein abstimmbarer Plasmonresonator bekannt, welcher eine Plasmonresonanzschicht aus Graphen, einem kristallinen Gruppen-IV-Halbleitermaterial oder einem kristallinen Gruppen-III-V-Halbleitermaterial und angeordnet auf einem Trägersubstrat, umfasst, wobei die Plasmonresonanzschicht einen Plasmonresonanzbereich aufweist, der einem Abtastvolumen ausgesetzt ist, und eine Abstimmvorrichtung, die in den Plasmonresonator integriert und angeordnet und konfiguriert ist, um eine Dichte an freien Ladungsträgern im Plasmonresonanzbereich der Resonanzschicht zu modifizieren oder eine effektive Massenmenge der freien Ladungsträger im Plasmonresonanzbereich der Resonanzschicht durch Anlegen einer Steuerspannung an eine oder mehrere Abstimmsteuerelektroden der Abstimmvorrichtung zu modifizieren, und damit eine Plasmonfrequenz von Plasmonpolaritonen im Plasmonresonanzbereich auf einen gewünschten Plasmonfrequenzwert innerhalb eines Plasmonfrequenz-Abstimmintervalls einzustellen, zur Resonanzanregung von Plasmonpolaritonen durch einfallende elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz entsprechend dem eingestellten Plasmonfrequenzwert.
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Eine plasmonische Halbleiterschicht ist dazu gemäß der technischen Lehre von
EP 3 220 133 A1 zwischen zwei piezoelektrischen Schichten angeordnet, um eine integrierte Struktur zu bilden. Die an die piezoelektrischen Schichten angelegte Spannung übt eine Dehnung (Verformung) auf die piezoelektrischen Schichten aus. Durch die piezoelektrische Verformung der piezoelektrischen Schicht wird eine in der Plasmonresonanzschicht vorhandene Gitterdehnungsmenge induziert, wodurch sich wiederum eine effektive Masse der freien Ladungsträger in der Plasmonresonanzschicht verändert. Die Änderung der effektiven Masse der freien Ladungsträger bestimmt dabei die Plasmafrequenz des Plasmas der freien Ladungsträger in der Plasmonresonanzschicht gemäß der angegebenen Drude-Lorentz-Relation.
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Das Verfahren zur Herstellung eines abstimmbaren Plasmonresonators für den Betrieb bei Frequenzen in einem Infrarot-Frequenzbereich umfasst gemäß der
EP 3 220 133 A1 :
- - Herstellen einer Plasmonresonanzschicht aus einem kristallinen Halbleitermaterial auf einem Trägersubstrat,
- - Aussetzen eines Plasmonresonanzbereichs der Plasmonresonanzschicht gegenüber einem mit einem Dielektrikum zu füllenden Abtastvolumen,
- - Herstellung einer monolithisch integrierten Abstimmvorrichtung, die angeordnet und konfiguriert ist.
- - eine Dichte von freien Ladungsträgern im Plasmonresonanzbereich der Resonanzschicht zu modifizieren oder eine wirksame Massenmenge der freien Ladungsträger im Plasmonresonanzbereich der Resonanzschicht durch Anlegen einer Steuerspannung an eine oder mehrere Abstimmsteuerelektroden der Abstimmvorrichtung zu modifizieren und
- - um so eine Plasmonfrequenz von Plasmonpolaritonen im Plasmonresonanzbereich auf einen gewünschten Plasmonfrequenzwert innerhalb eines Plasmonfrequenz-Abstimmintervalls einzustellen, zur Resonanzanregung von Plasmonpolaritonen durch einfallende elektromagnetische Wellen einer Frequenz entsprechend dem eingestellten Plasmonfrequenzwert.
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Diese technische Lösung gemäß der Offenbarung von
EP 3 220 133 A1 hat den Nachteil, dass die spezifischen Eigenschaften von Oberflächenplasmonen, die sich auf einer ebenen Oberfläche ausbreiten, variiert werden, wobei die Plasmonfrequenz durch die Änderung der effektiven Masse der freien Ladungsträger und der Trägerkonzentration abgestimmt (variiert) wird, in dem Spannung auf piezoelektrische Schichten angelegt wird, um eine mechanische Verformung der plasmonischen Schichten zu erzeugen.
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US 2017235162 A1 offenbart eine zeitvariable optische Meta-Oberfläche, umfassend eine Vielzahl von modulierten Nanoantennen, die konfiguriert sind, um sich im Laufe der Zeit dynamisch zu verändern. Die Meta-Oberfläche kann als Teil eines optischen Isolators implementiert werden, wobei die zeitvariable Meta-Oberfläche einen unidirektionalen Lichtstrom bereitstellt. Die Meta-Oberfläche ermöglicht den Bruch der Lorentz-Reziprozität in der Zeitumkehr. Die Meta-Oberfläche kann in einem Übertragungsmodus oder einem Reflexionsmodus betrieben werden.
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Diese technische Lösung gemäß der Offenbarung von
US 2017235162 A1 hat den Nachteil, dass die Meta-Oberfläche konfiguriert ist, um als abstimmbare Polarisationsplattenvorrichtung zu funktionieren, wobei kein Einfluss auf eine Auflösung kleiner als die Beugungsgrenze erreicht wird.
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Auch werden dabei die Eigenschaften von optischen Punkten (Lichtpunkten) nicht beeinflusst, um Ausdehnungen kleiner als die Beugungsgrenze zu erreichen.
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WO 2012/098487 A1 offenbart eine Beleuchtungsvorrichtung, die eine Lichtquelle, wie beispielsweise eine LED oder eine Laserdiode, ein Wellenlängenumwandlungsmedium, wie beispielsweise einen Phosphor, und eine periodische Antennenanordnung aus einem hoch polarisierbaren Material, wie beispielsweise einem Metall, umfasst.
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Die Lichtquelle emittiert primäres Wellenlängenlicht, das durch das Wellenlängenumwandlungsmedium zumindest teilweise in sekundäres Wellenlängenlicht umgewandelt wird.
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Die periodische Antennenanordnung ist in unmittelbarer Nähe des Wellenlängenumwandlungsmediums positioniert und dient dazu, die Effizienz der Absorptions- und/oder Emissionsprozesse im Wellenlängenumwandlungsmedium durch die Kopplung des einfallenden primären Wellenlängenlichts oder des emittierten sekundären Lichts an Oberflächengitterresonanzen zu erhöhen, die durch die diffraktive Kopplung von lokalisierten Oberflächenplasmonpolaritonen in den einzelnen Antennen der Anordnung entstehen.
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Diese technische Lösung ist für die Bildung einer Kleinflächenbeleuchtungsvorrichtung vorgesehen, die für den Einsatz in Projektionssystemen geeignet ist, oder für die Steuerung der Richtungsabhängigkeit, der Polarisation und/oder der Farbe des sekundären Wellenlängenlichts.
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Diese Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Offenbarung von
WO 2012/098487 A1 hat den Nachteil, dass die Periodizität (d.h. die Position) der Nanoantennenanordnung variiert wird und nur die optischen Eigenschaften der beugungsbegrenzten elektromagnetischen Strahlung abgestimmt werden können. Die Eigenschaften optischer Punkte (Lichtpunkte) mit Ausdehnungen kleiner als die Beugungsgrenze hinaus werden dabei nicht beeinflusst.
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Die
US 8,368,898 B2 stellt eine optische Vorrichtung mit hoher Lebensdauer, geringerer optischer Absorption als ein lochförmiger Metall-Dünnschichtfilter, hoher Durchlässigkeit und hohem Reflexionsgrad sowie variablen optischen Eigenschaften bereit.
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Die Vorrichtung beinhaltet dabei ein dielektrisches Substrat, eine Metallstrukturgruppe mit mehreren Metallstrukturen, die zweidimensional und diskret in regelmäßigen Abständen angeordnet sind, und eine dielektrische Schicht, die die Metallstrukturgruppe bedeckt, wobei die Metallstrukturen eine erste Länge aufweisen, die gleich oder kürzer als eine vorbestimmte Wellenlänge in einem Bereich des sichtbaren Lichts in einer Richtung ist, und eine zweite Länge, die gleich oder kürzer als die Wellenlänge in einer senkrechten Richtung ist, und die Metallstrukturen mit Licht resonieren, das in das dielektrische Substrat oder die dielektrische Schicht eintritt, mit einer variablen Dielektrizitätskonstante, um eine lokalisierte Oberflächen-Plasmonresonanz auf einer Oberfläche der Metallstrukturen zu erzeugen, um eine minimale Durchlässigkeit oder eine maximale Reflexion des Lichts mit der Wellenlänge zu haben.
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Diese technische Lösung gemäß der Offenbarung von
US 8,368,898 B2 hat den Nachteil, dass eine dielektrische Schicht mit einer variablen Dielektrizitätskonstante vorgeschlagen wird, (wobei dafür ein piezoelektrisches oder ferroelektrisches Material vorgesehen ist), um variable optische Eigenschaften von der optischen Vorrichtung zu erhalten. Die Eigenschaften optischer Punkte (Lichtpunkte) mit Ausdehnungen kleiner als die Beugungsgrenze hinaus werden dabei nicht beeinflusst.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur reversiblen Abstimmung der elektrischen Feldstärke, der Polarisationszustände, der Resonanzfrequenz, der Ausdehnung und der Position von optischen Nahfeldpunkten (Lichtkonzentrationspunkten) mit Ausdehnungen kleiner als die Beugungsgrenze bereit zu stellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einer Vorrichtung gemäß dem 1. Patentanspruch sowie durch ein Verfahren gemäß dem 7. Patentanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den nachgeordneten Ansprüchen angegeben.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass zueinander bewegbare plasmonische oder photonische Strukturen in Form von Nanoantennen (beispielsweise metallischen Nanostäbchen, vorteilhaft Goldnanostäbchen) dazu verwendet werden, Lichtkonzentrationspunkte mit Ausdehnungen kleiner als die Beugungsgrenze des verwendetes Lichtes zu erzeugen und diese Nanoantennen mittel Piezoaktoren zu bewegen, um die Eigenschaften der Lichtkonzentrationspunkte zu verändern.
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Licht im Sinne dieser Erfindung ist jede elektromagnetische Strahlung vom infraroten bis zum ultravioletten Licht.
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Lichtkonzentrationspunkte im Sinne dieser Erfindung sind eine Form der lokalisierten Nahfeldstrahlung mit Ausdehnungen kleiner als die Beugungsgrenze des verwendeten Lichtes.
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Der räumliche Bereich des Lichtkonzentrationspunktes im Sinne dieser Erfindung umfasst einen Raum mit Ausdehnungen kleiner als die Beugungsgrenze des verwendeten Lichtes. Es ist in der Regel der Bereich zwischen den Nanoantennen.
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Nanoantennen in Sinne dieser Erfindung sind plasmonische Nanoantennen gemäß dem Stand der Technik. Ihre Form ist frei wählbar und nur dadurch beschränkt, dass sie als plasmonische Antenne funktionieren und zusammen mit anderen Nanoantennen einen Lichtkonzentrationspunkt ausbilden können muss. Es können beispielsweise zylindrische oder prismatische Stäbe, Kegel- oder Pyramidenformen oder auch flache Formen wie Rechtecke oder Dreiecke verwendet werden.
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Die Nanoantennen bestehen aus einem plasmonisch aktiven Material, bevorzugt aus Metall und besonders bevorzugt aus Gold.
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Der Abstand der Nanoantennen untereinander, die wirksam an der Ausbildung und Beeinflussung eines Lichtkonzentrationspunktes beteiligt sind, ist kleiner als die Beugungsgrenze des Lichtes. Vorteilhaft sind Abstände kleiner als 1/10 der Beugungsgrenze des Lichtes.
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Die Nanoantennen sind mit einer Halterung oder einem Piezoaktor verbunden. Wenn eine Nanoantenne mit einer Halterung verbunden ist, ist ihre Position innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht mittels eines Piezoaktors veränderbar. Wenn eine Nanoantenne mit einem Piezoaktor verbunden ist, ist ihre Position innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung mittels des Piezoaktors veränderbar.
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Bereiche der Nanoantenne, die nicht mit einer Halterung oder einem Piezoaktor verbunden sind, sind freie Enden.
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Ein Piezoaktor in Sinne dieser Erfindung ist eine Baugruppe, die mindestens ein Piezoelement umfasst, das eine mechanische Kraft in einer Richtung ausüben kann. Ein Piezoaktor kann mehrere miteinander verbundene Piezoelemente umfassen. Wenn mehrere Piezoelemente vorhanden sind, so können diese entweder in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sein, so dass mechanische Kräfte in unterschiedliche Richtungen ausgeübt werden können. Vorteilhaft ist beispielsweise eine Anordnung von drei Piezoelementen in drei zueinander rechtwinklig liegenden Achsen. Möglich ist auch eine Anordnung der Piezoelemente in einer Richtung, so dass sich der Wirkungsbereich des Aktors, also die Strecke, über die die mechanische Kraft ausgeübt wird, vergrößert. Ebenso ist eine Kombination aus beiden Anordnungen möglich. Damit ist eine Positionierung einer Nanoantenne in einer Ebene und auch im Raum durch das Verschieben der Nanoantenne möglich.
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Die Erfindung umfasst aber auch Anordnungen, bei denen die Nanoantennen um eine oder mehrere Achsen rotiert werden können.
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Für die erfindungsgemäße Vorrichtung werden mindestens zwei Nanoantennen eingesetzt. Mindestens eine Nanoantenne ist einzeln mit mindestens einem Piezoaktor verbunden. Die Nanoantennen weisen dabei jeweils ein freies Ende auf, wobei sich diese Enden gegenüber stehen und einen Lichtkonzentrationspunkt zwischen sich ausbilden.
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Die von den Piezoaktoren getragenen plasmonischen Nanoantennen sind relativ zueinander bewegbar, in dem eine elektrische Spannung an den Piezoaktoren beziehungsweise deren Piezoelementen, welche die Nanoantennen tragen, angelegt wird, um Translationsbewegungen der Nanoantennen zu erzeugen. Zwischen den Nanoantennen ist der Lichtkonzentrationspunkt ausgebildet. Dadurch die Bewegung der Nanoantennen relativ zueinander sind die Eigenschaften des Lichtkonzentrationspunktes wie dessen elektrische Feldstärke, die Polarisationszustände, die Resonanzfrequenz, die Ausdehnung, Form und die Position beeinflussbar und können verändert werden.
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Um einen technisch wirksamen Lichtkonzentrationspunkt auszubilden, sind mindestens zwei Nanoantennen notwendig, deren freie Enden nahe beieinander angeordnet sind. Der Abstand der Nanoantennen untereinander, die wirksam an der Ausbildung und Beeinflussung eines Lichtkonzentrationspunktes beteiligt sind, ist kleiner als die Beugungsgrenze des Lichtes. Vorteilhaft sind Abstände kleiner als 1/10 der Beugungsgrenze des Lichtes.
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Vorteilhaft ist eine Anordnung von zwei Nanoantenne als Nanostäbchen, die auf einer Achse liegen und deren frei Enden nahe beieinander angeordnet sind. Sie bilden ein Nanoantennenpaar. Bewegt der Piezoaktor mindestens einer Nanoantenne diese auf der Achse, so wird der Abstand zwischen den beiden Nanoantenne effektiv verändert.
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Vorteilhaft sind drei Nanoantennenpaare, deren Achsen rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Dadurch ist eine effektive Kontrolle des Lichtkonzentrationspunkt in allen drei räumlichen Ausdehnungen möglich.
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Vorteilhaft für eine Kontrolle des Lichtkonzentrationspunkt in einer Ebene mit minimalem Aufwand ist eine Anordnung von drei Nanoantennen, die um den Lichtkonzentrationspunkt herum in einem Winkel von etwa 120 Grad zueinander angeordnet sind.
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Vorteilhaft für eine Kontrolle des Lichtkonzentrationspunkt im Raum mit minimalem Aufwand ist eine Anordnung von vier Nanoantennen, die vom Lichtkonzentrationspunkt aus einen Caltrop oder Tetrapoden bilden. Hierbei liegen die Achsen in einem Winkel von etwa 109,5 Grad zueinander.
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Grundsätzlich umfasst die Erfindung jede Anzahl und jede Anordnung Nanoantennen, deren freie Enden zueinander ausgerichtet sind und deren Abstände zueinander kleiner als die Beugungsgrenze des Lichtes sind. Vorteilhaft sind Abstände kleiner als 1/10 der Beugungsgrenze des Lichtes.
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Für die Veränderung der Position der Nanoantennen gilt Folgendes:
- 1. Durch die Variation der Abstände der Nanoantennen zueinander variiert die Ausdehnung und elektrische Feldstärke des Lichtkonzentrationspunktes.
- 2. Durch die Variation der Position der Nanoantennen variiert die Position des Lichtkonzentrationspunktes innerhalb der Vorrichtung.
- 3. Durch eine asymmetrische Variation der Position der Nanoantennen relativ zum Lichtkonzentrationspunkt variiert die Phasenlage des Lichtes im Lichtkonzentrationspunkt.
- 4. Jede Variation der Abstände und Position der Nanoantennen zueinander variiert die Resonanzfrequenz.
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Durch eine Bewegung von mindestens einer Nanoantenne, bei der sich zwei oder mehr Nanoantennen berühren, können diese zusammen als eine neue Nanoantenne mit anderen Eigenschaften wirksam werden.
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Weiterhin kann mindestens eine Nanoantenne vom Lichtkonzentrationspunkt so weit entfernt werden, dass sie auf die Ausbildung und die Eigenschaften des Lichtkonzentrationspunktes keinen wirksamen Einfluss mehr hat. Dieser Effekt ist bei einem Abstand gleich der Beugungsgrenze des Lichtes sicher gegeben.
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Durch den Einsatz von Piezoaktoren ist die genaue und gezielte Veränderung der Position und Abstände des Nanoantennen in Schritten von wenigen Nanometern möglich. Dadurch können die Eigenschaften des Lichtkonzentrationspunktes mit gleicher Genauigkeit verändert werden. Die Veränderungen sind reversibel, weil Piezoaktoren bei einer Wegnahme oder Polarisationsumkehr der angelegten Spannung die zuvor ausgeführte Bewegung umkehren.
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Mit dieser technischen Lösung können die elektromagnetischen Nahfeldeigenschaften photonischer bzw. plasmonischer Strukturen im Nanobereich variiert werden, ohne die Eigenschaften der einfallenden elektromagnetischen Strahlung (d.h. Laserwellenlänge, Laserintensität, Polarisation etc.) zu verändern.
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Mit dieser technischen Lösung werden mehrere Nahfeld-Strahlungseigenschaften über eine einzige plasmonische Nanostruktur erreicht. Anstatt mehrere Nanostrukturen für mehrere Nahfeldeigenschaften herzustellen, reicht ein einziger Herstellungsprozess aus, um mehrere Nahfeldeigenschaften zu erreichen. Dadurch wird der Zeit- und Kostenaufwand für die Fertigung reduziert.
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Die vorliegende technische Lösung kann auch auf Arrays von Nanoantennen mit Stäbchenform oder in Form anderer nano/mikrogroßer Partikeln angewendet werden.
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Die vorliegende technische Lösung ist die Grundlage für ein mikrofluidisches Gerät, das biologische oder chemische Komponente in einem Fluid nachweisen kann.
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Der Nanospalt in Form des Lichtkonzentrationspunktes zwischen den durch die Piezoaktoren (die vorteilhaft als piezoelektrische Platten ausgeführt sind) getragenen Nanoantennen (die vorteilhaft eine Stäbchenform aufweisen und aus Gold sind) mit freiem Ende wirkt dabei als Ventil, das den Durchfluss des durchströmenden Fluids steuert. Die Richtung des Fluidstroms kann durch Einstellen der Position des Nanospalts eingestellt werden.
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Durch die Wechselwirkung von Nahfeld-lokalisierter elektromagnetischer Strahlung mit der biologischen oder chemischen Spezies in dem Fluid ist es dabei möglich, diese Spezies nachzuweisen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Ausführungsbeispiele und der Figuren näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein.
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Dabei zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Paar gegenüberliegender Nanoantennen, welche zueinander beweglich sind und einen Lichtkonzentrationspunkt zwischen sich ausbilden,
- 2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Paaren gegenüberliegender Nanoantennen, welche 90° zueinander angeordnet sowie zueinander beweglich sind und einen Lichtkonzentrationspunktzwischen sich ausbilden,
- 3: eine schematische Darstellung einer Variante der zweiten Ausführungsform gemäß 2 mit einer aus dem Bereich der Lichtkonzentrationspunktes herausgenommenen Nanoantenne,
- 4: eine schematische Darstellung eines Arrays aus mehreren Ausführungsformen gemäß 1,
- 5: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei Paaren gegenüberliegender Nanoantennen, deren Achsen X-X, Y-Y und Z-Z zueinander rechtwinklig angeordnet sowie zueinander beweglich sind und eine Lichtkonzentrationspunkt zwischen sich ausbilden und
- 6. eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform mit vier Nanoantennen, deren Achsen A-A, B-B, C-C und D-D in einem Caltrop- oder Tetrapode-Winkel von 109,5 Grad zueinander angeordnet sind.
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Die in 1 dargestellte erste Ausführungsform der Vorrichtung (1) zur Konzentration von Licht umfasst eine Lichtquelle (2) und mindestens zwei plasmonische Nanoantennen (3) an jeweils einem ein Piezoaktor (4), wobei das jeweils freie, dem Piezoaktor (4) abgewandte Ende der Nanoantenne (3) zueinander gegenüber liegend und einen Lichtkonzentrationspunkt (5) zwischen sich ausbildend angeordnet ist und die Anordnung der Nanoantennen (3) zueinander mittels mindestens einem der Piezoaktoren (4) veränderbar ist.
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Die Vorrichtung (1) umfasst dabei genau zwei Nanoantennen (2) als Nanoantennen-Paar, die auf einer Achse X-X, einer Achse Y-Y oder einer Achse Z-Z angeordnet sind, zwischen denen der Lichtkonzentrationspunkt (5) besteht, dessen Breite weniger als 1/10 der Wellenlänge des Lichtes beträgt, wobei die Position von mindestens einer Nanoantenne (3) durch deren zugeordneten Piezoaktor (4) veränderbar ist.
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Die in der 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Vorrichtung (1) zur Konzentration von Licht umfasst eine Anordnung von zwei Nanoantennen-Paaren, deren beiden Achsen X-X und Y-Y zueinander senkrecht ausgerichtet sind und sich im Bereich ihrer Lichtkonzentrationspunkte (5) schneiden.
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In der 3 wird für die Ausführungsform gemäß 2 gezeigt, bei der eine Nanoantenne (3) durch deren Positionsveränderung aus dem Bereich des Lichtkonzentrationspunktes (5) entfernt wurde und diese Nanoantenne (3) dadurch keinen wirksamen Einfluss mehr auf die Eigenschaften des Lichtkonzentrationspunktes (5) hat.
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Im Rahmen der technischen Lösung liegt auch, dass die Ausführungsform der Vorrichtung (1) gemäß 1 mehrfach nebeneinander zu einem in 4 schematisch dargestellten Array angeordnet werden, um bspw. kaskadenartige Konzentrationen des Lichtes vornehmen zu können.
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Die in der 5 dargestellte dritte Ausführungsform der Vorrichtung (1) zur Konzentration von Licht umfasst eine Anordnung von drei Nanoantennen-Paare, deren Achse X-X, Achse Y-Y sowie Achse Z-Z zueinander senkrecht ausgerichtet sind und sich im Bereich ihrer Lichtkonzentrationspunkte (5) schneiden.
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Bei sämtlichen der in den 1 bis 5 dargestellten drei Ausführungsformen ist jede Nanoantenne (2) durch ihren Piezoaktor (4) entlang der Achse X-X, der Achse Y-Y oder der Achse Z-Z bewegbar.
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Die in der 6 dargestellte vierte Ausführungsform der Vorrichtung (1) zur Konzentration von Licht umfasst eine Anordnung von vier einzelnen Nanoantennen auf den Achsen A-A, B-B, C-C, und D-D, die zueinander in einem Caltrop- oder Tetrapoden-Winkel von 109,5 Grad ausgerichtet sind und sich im Bereich ihrer Lichtkonzentrationspunkte (5) schneiden. Die freien Enden der Nanoantennen zeigen zum Lichtkonzentrationspunkte (5).
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Das Verfahren zur reversiblen Abstimmung der elektrischen Feldstärke, des Polarisationszustande, der Resonanzfrequenz, der Ausdehnung und der Position von optischen Nahfeldpunkten elektromagnetischen Strahlung jenseits der Beugungsgrenze wird unter Verwendung einer der Ausführungsformen der Vorrichtung (1) durchgeführt.
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Dabei wird das von der Lichtquelle (2) kommende Licht im Lichtkonzentrationspunkt (5) beeinflusst, in dem dessen Eigenschaften durch nanoskalige Bewegungen der Nanoantennen (3), welche vermittels der Piezoaktoren (4) erzeugt werden, veränderbar sind.
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Das von der Lichtquelle (2) kommende Licht wird durch folgende Maßnahmen gezielt beeinflusst:
- 1. Durch die Variation der Abstände der Nanoantennen zueinander variiert die Ausdehnung und elektrische Feldstärke des Lichtkonzentrationspunktes.
- 2. Durch die Variation der Position der Nanoantennen variiert die Position des Lichtkonzentrationspunktes innerhalb der Vorrichtung.
- 3. Durch eine asymmetrische Variation der Position der Nanoantennen relativ zum Lichtkonzentrationspunkt variiert die Phasenlage des Lichtes im Lichtkonzentrationspunkt.
- 4. Jede Variation der Abstände und Position der Nanoantennen zueinander variiert die Resonanzfrequenz.
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Durch diese technischen Lösungen (Vorrichtung und Verfahren) ist eine reversible Abstimmung der elektrischen Feldstärke, des Polarisationszustandes, der Resonanzfrequenz, der Ausdehnung und der Position von optischen Nahfeldpunkten jenseits der Beugungsgrenze möglich, so dass die bestehenden Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
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Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- - Vorrichtung
- 2
- - Lichtquelle
- 3
- - plasmonische Nanoantenne
- 4
- - Piezoaktor
- 5
- - Lichtkonzentrationspunkt
- A-A, B-B, C-C,
- D-D Achsen im Raum, Anordnung gemäß einem Tetrapoden
- X-X -
- erste Achse im Raum
- Y-Y -
- zweite Achse im Raum
- Z-Z -
- dritte Achse im Raum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3220133 A1 [0010, 0011, 0012, 0013]
- US 2017235162 A1 [0014, 0015]
- WO 2012/098487 A1 [0017, 0021]
- US 8368898 B2 [0022, 0024]
