Die Magie der verstärkten nichtlinearen optischen Aktivität

In der nichtlinearen Optik nutzt man Medien, die auf eine nichtlineare Weise auf einfallende elektromagnetische Strahlung ansprechen und ihre Wellenlänge (und Frequenz) und somit Farbe verändern. Zu den technisch relevanten nichtlinearen optischen Effekten zählen die Raman-Streuung, Zweiphotonenabsorption und die Erzeugung Harmonischer hoher Ordnung.

Kürzlich hat man festgestellt, dass aus sorgfältig geplanten Kunststoffen und Metallnanopartikeln bestehende Kompositmaterialien nichtlineare optische Aktivitäten in Größenordnungen aufweisen, die besser als bei konventionellen Materialien funktionieren. So wurde das EU-finanzierte Projekt "Polymer / metal nanoparticles composites with enhanced non-linear optical properties" (COMPONLO) gestartet, um eine systematische Bewertung dieser Materialien durchzuführen.

Die Wissenschaftler wählten zwei Kopolymersysteme mit verschiedenen Glasübergangstemperaturen, einer der wichtigsten Eigenschaften jedes Epoxids. Bei der Glasübergangstemperatur handelt es sich genau genommen um einen Temperaturbereich, in dem der Zustand des Polymers von spröde und glasartig zu weich und gummiartig übergeht. Beide Kopolymersysteme wurden mit und ohne Goldnanopartikel (Au) synthetisiert.

Die Forscher setzten eine Technik mit der Bezeichnung Koronapolung ein, um die Induktion zu bewerten oder nichtlineare optische Eigenschaften zu verstärken. Mittels Koronapolung werden Moleküle in einem Polymerfilm oder in einem Polymer derart ausgerichtet, dass sich dessen Brechungsindex verändert, wenn er bzw. es einem äußeren elektrischen Feld ausgesetzt wird.

Sie fanden heraus, dass die Polymerfamilie mit niedriger Übergangstemperatur nichtlineares optisches Verhalten (Erzeugung Harmonischer zweiter Ordnung, Second Harmonic Generation, SHG) zeigt, noch bevor es zur Koronapolung kommt. Die Koronapolung verringerte für einige Zeit das Signal, aber es wurde nach der Alterung bei Raumtemperatur wiederhergestellt. Goldnanopartikel steigerten die Erzeugung Harmonischer zweiter Ordnung gegenüber der bei den ursprünglichen Polymeren beträchtlich.

Reine Kopolymere aus der Familie der höheren Glasübergangstemperaturen zeigten erst nach der Polung nichtlineare optische Eigenschaften. Mit der Zugabe von Au-Nanopartikeln induzierte man auch ohne Polung Nichtlinearitäten, aber reduzierte danach das SHG-Signal relativ zu dem der reinen Kopolymere unabhängig vom Au-Gehalt. Es ist möglich, dass die Goldnanopartikel die weitere molekulare Ausrichtung nach der Polung und somit die makromolekulare Konfiguration im Wesentlichen blockieren. Außerdem beeinflussen Goldnanostäbchen oder Nanohüllenstrukturen störend die Entwicklung der nichtlinearen optischen Aktivität, was wahrscheinlich auf die Streuung des SHG-erzeugten Lichts durch übergroße Goldpartikel zurückzuführen ist.

Die COMPONLO-Erkenntnisse zählen zu den ersten, die einen systematischen Weg zur Charakterisierung einer vielversprechenden neuen Klasse von Materialien mit verbesserter nichtlinearer optischer Aktivität weisen. Sie bilden den Grundstein für die Ausnutzung dieser Phänomene in spannenden neuen Bauelementen und Geräten.