Institut für Photonik

Die Photonik ist die Wissenschaft und Technologie, die sich mit der Erzeugung, Emission, Übertragung, Modulation, Signalverarbeitung, Schaltung, Verstärkung, Detektion und Erfassung von Licht beschäftigt. Sie umfasst alle Anwendungen des Lichts über das gesamte Spektrum – vom Ultraviolett über den sichtbaren Bereich bis hin zum mittleren und fernen Infrarot.

Seit der Erfindung des Lasers hat sich die Photonik zu einer Schlüsseltechnologie entwickelt, deren Anwendungen von der optischen Kommunikation über die Hochleistungsmaterialbearbeitung bis hin zur Spitzenmedizin und universellen Analytik reichen. Das Institut für Photonik widmet sich der Grundlagenforschung auf international höchstem Niveau und konzentriert seine Arbeit insbesondere auf:

• die Erzeugung von ultrakurzen, hochintensiven Laserpulsen
• die Erzeugung von THz-Pulsen
• die Entwicklung und Anwendung nano-photonischer Bauelemente

Der Fokus des Instituts, das im Jahr 2000 von Arnold Schmidt gegründet wurde, liegt auf der Erzeugung und Nutzung kohärenter elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Spektralbereich sowie in den unmittelbar angrenzenden Bereichen. Durch diese Forschung tragen wir dazu bei, die Grenzen der Photonik kontinuierlich zu erweitern.

 

Das Photonik Institut ist die Geburtsstätte der „Attosekunden“-Forschung. Attosekunden sind die kürzesten Zeiteinheiten (10^-18 Sekunden), die erstmals 2001 von der Gruppe von Professor Krausz in unseren Laserlaboren mit optischen Methoden nachgewiesen wurden.  Dafür erhielt Ferenc Krausz im Jahr 2023 den Nobelpreis für Physik.

 

Forschung

Photonische Höchstleistungsquellen

Am Institut für Photonik wird aktiv an der Entwicklung und Anwendung neuartiger Lasersysteme zur Erzeugung hochintensiver Ultrakurzpulse geforscht. Im Forschungsbereich von Prof. Baltuška umfasst dies die Erzeugung und Verstärkung von Laserpulsen im Nahinfraroten sowie deren effiziente Wellenlängenkonversion durch die Entwicklung von Optisch-Parametrischen Verstärkern (OPA). Frequenzen bis in den XUV-Bereich werden durch kaskadierte Ramanstreuung und die Erzeugung höherer Harmonischer erreicht. Unser Institut hat bei diesem Thema einen großen Durchbruch geleistet, welcher eine außerordentliche Effizienz für die Post-Kompression der Pulsdauer ermöglicht. Weltweit einzigartig ist unser Institut in der Erzeugung von ultrakurzen hochintensiven Laserpulsen im Burstmodus mit einer Wiederholrate der Bursts von bis zu einigen Terahertz. Dabei ist der Pulsabstand innerhalb des Pulszuges vergleichbar mit der ultrakurzen Pulsdauer. Durch Interferenzeffekte der Pulse können so die hohe Spitzenintensität mit spektraler Selektivität kombiniert werden, was bereits einzigartige Experimente im Bereich der experimentellen Grundlagenforschung ermöglicht hat.

Zu den aktuellen Anwendungsgebieten, die in der Arbeitsgruppe von Prof. Andrius Baltuška im Bereich der Höchstleistungsquellen derzeit erforscht werden, zählen unter anderem die Erzeugung von hochintensiven Terahertzpulsen und Filamenten, sowie die zeitaufgelöste Erforschung komplexer Prozesse in Molekülen (z.B. CARS, SRS, REMPI) und Festkörpern (z.B. PES).

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die hochintensive Materialbearbeitung. Diese Technologie spielt zunehmend eine wichtige Rolle, etwa bei der Weiterentwicklung von Schweißverfahren, wie sie in der Automobilindustrie vorkommen. In der Industrie wird kaum mehr elektrisch geschweißt, sondern fast ausschließlich mit Lasern. Besonders im Forschungsbereich von Thomas Müller wird diese Technologie weiterentwickelt.

Zweidimensionale Optoelektronik

Graphen und MoS₂ sind herausragende Vertreter einer Gruppe von Materialien, die aus zweidimensionalen Kristallen bestehen – also kristallin geordneten Netzen aus einer oder wenigen atomaren Lagen. Diese Materialien haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften große Aufmerksamkeit erregt, insbesondere wegen ihrer bemerkenswerten optischen und elektronischen Eigenschaften. Ihre einzigartige Struktur ermöglicht es, Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften für spezifische Anwendungen zu entwickeln, was sie zu einem zentralen Forschungsthema in der modernen Materialwissenschaft macht.

Das Institut für Photonik widmet sich der Erforschung dieser Materialien und ihrer Anwendungen in der Optoelektronik. Ein zentraler Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung neuartiger Photodetektoren, die durch ihre schnelle Reaktionszeit die optische Nachrichtentechnik revolutionieren könnten.

Darüber hinaus wird an intelligenten Detektoren, die komplexe mathematische Funktionen direkt auf physikalischer Ebene ausführen können, geforscht – ein Ansatz, der als „In-Sensor Computing“ bekannt ist. Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten für Echtzeit-Datenanalyse, etwa in der Bildverarbeitung oder in autonomen Systemen.

Ein weiterer bedeutender Forschungsbereich ist die Nutzung zweidimensionaler Materialien zur Energiekonversion und als Lichtemitter. Durch die einzigartigen elektronischen und optischen Eigenschaften dieser Materialien lassen sich Photovoltaik-Zellen und Leuchtdioden herstellen, die flexibler und kostengünstiger sind als herkömmliche Technologien.

Terahertz-Photonik

Elektronische Verfahren ermöglichen heute die Erzeugung elektromagnetischer Strahlungsquellen bis in den Bereich von einigen zehn Gigahertz, während optische Quellen kohärente Strahlung vom fernen Ultraviolett bis in den mittleren Infrarotbereich erzeugen können. Zwischen den Spektralbereichen Mikrowellenstrahlung und Mid-Infrarot liegt die sogenannte Terahertz-Lücke. Dieser Spektralbereich bietet aus spektroskopischer Sicht mehr materialspezifische Informationen als jeder andere, war jedoch lange Zeit ohne verfügbare kohärente Strahlungsquellen.

Das Institut für Photonik der TU Wien zählt weltweit zu den führenden Einrichtungen auf dem Gebiet der Terahertz-Strahlung. Die Erzeugung dieser Strahlung erfolgt durch verschiedene Methoden, darunter die Umwandlung ultrakurzer sichtbarer Laserimpulse mittels optischer Gleichrichtung oder direkt mit Halbleiterbauelementen. In modernen Halbleiter-Nanostrukturen sind die Energieniveaus der Elektronen quantisiert und können über die Strukturgröße verändert werden. Wir entwickeln THz Quantum Cascade Laser, welche sich durch breitbandige Emission auszeichnen und daher auch gut geeignet sind um Frequenzkämme zu erzeugen.

Die Nutzung elektromagnetischer Wellen im Frequenzbereich zwischen sichtbarem Licht und Radiowellen bietet den Vorteil einer verbesserten Kontrastgebung. Diese Technologie wird beispielsweise grundsätzlich in Körperscannern an Flughäfen für Sicherheitskontrollen eingesetzt.

Ausgenutzt werden Vibrations- und Rotationsschwingungen von Molekülen (der „chemische Fingerabdruck“). Dies ermöglicht die eindeutige Identifikation eines Moleküls (optical sensing). Die Herausforderung besteht im Moment darin, den passenden Multi-Wavelength-Laser für die zu untersuchende Materialien zu finden.

Lehre

Das Photonik-Institut ist zentral für die Lehre an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, sowohl im Bachelor- als auch im Masterbereich beteiligt. Im Bachelorstudium leistet es durch die Pflichtvorlesungen „Zeitkontinuierliche Signale und Systeme“ und „Photonik 1“ einen engagierten Beitrag zur Lehre.

Und auch im Masterbereich bietet das Institut wesentliche Pflichtlehrveranstaltungen, etwa bei „Mikroelektronik & Photonik“.
Im Wahlpflichtbereich können Studierende aus einem breiten Spektrum an Lehrveranstaltungen wählen, um sich zu spezialisieren. In Vertiefungen und Seminaren werden die neuesten Entwicklungen in der Photonik vermittelt, während moderne Labore die Studierenden an selbstständiges wissenschaftliches Arbeiten heranführen.

Das Institut versteht sich als tragende Säule im Masterstudiengang „Information and Communication Engineering“ an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik.

Mitwirkende