Bibliographic Metadata
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- TitleDielectric metasurfaces for controlling classical and quantum light / Rebecca Aschwanden
- Author
- Degree supervisor
- Published
- Description1 Online-Ressource (viii, 119 Seiten) : Diagramme, Illustrationen
- Institutional NoteUniversität Paderborn, Dissertation, 2026
- AnnotationTag der Verteidigung: 04.09.2026
- Defended on2026-09-04
- LanguageGerman
- Document TypesDissertation (PhD)
- Keywords (GND)
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Classification
Zusammenfassung
Diese Arbeit untersucht dielektrische Metaoberflächen als vielseitige Plattformen für die Kontrolle von Licht im linearen, nichtlinearen und quantenoptischen Regime. Metaoberflächen haben sich als aktives Forschungsgebiet etabliert, denn sie bieten die Möglichkeit, ein breites Spektrum an optischen Funktionalitäten innerhalb einer ultradünnen Schicht zu realisieren. Das erste Projekt untersucht eine Metaoberfläche, die als Strahlteiler mit mehr als zwei Ausgängen fungiert. Die Propagationsphase wird verwendet, um ein bestimmtes räumliches Phasenprofil in die Metaoberfläche zu kodieren. Die Kaskade zweier Metaoberflächen erlaubt die Realisierung eines hochdimensionalen Interferometers, um die phasenabhängige Transmission zu untersuchen. Diese Untersuchungen werden in das quantenoptische Regime ausgeweitet, indem einzelne Photonen verwendet werden. Die Metaoberfläche erlaubt die gleichzeitige Messung von Intensitätskorrelationen zweiter und dritter Ordnung mittels eines einzigen ultradünnen Bauteils. Phasenabhängige Interferenz im kaskadierten System wird ebenfalls auf Einzelphotonenebene gezeigt. Eine matrixbasierte Beschreibung ermöglicht die theoretische Modellierung der experimentellen Ergebnisse im klassischen Regime. Das zweite Projekt untersucht die richtungsabhängige Erzeugung höherer harmonischer Frequenzen in kreisförmigen hybriden Silizium-Siliziumnitrid-Nanoresonatoren. Im Gegensatz zu ausgedehnten Metaoberflächen, die ausvielen einzelnen Nanostrukturen zusammengesetzt sind, erfolgt hierbei die Frequenzkonversion an einer einzelnen dieser Strukturen. Aufgrund der strukturellen Asymmetrie entsteht eine bianisotrope Modenkopplung zwischen Resonanzen, die wiederum zur elektrischen Feldverstärkung führt, die von der Beleuchtungsrichtung abhängig ist. Diese asymmetrische Feldverstärkung führt zur richtungsabhängigen Erzeugung der dritten, fünften und siebtenharmonischen Frequenzen. Zusammenfassend verdeutlichen die Ergebnisse dieser Arbeit, wie mittels maßgeschneiderter nanophotonischer Strukturen kompakte und multifunktionale Bauteile realisiert werden können.
Abstract
This thesis investigates dielectric metasurfaces as versatile nanophotonic platforms for controlling light in linear, nonlinear, and quantum optical regimes. Metasurfaces have emerged as an active area of research as they allow the encoding of a wide range of functionalities within a single layer.In the first project, a metasurface designed as a multiport beam splitter is presented. The propagation phase is employed to encode tailored diffraction orders and efficiencies into the metasurface. The cascade of two metasurfaces enables the realization of a high-dimensional interferometer and phase-controlled manipulation of the transmitted light. The investigation is further extended to the quantum optical regime using single photons. The metasurface enables the measurement of second- and third-order correlations within a single optical element. Phase-dependent interference in the cascaded system is also demonstrated at the single-photon level. A theoretical matrix-based model reproduces the classical experimental observations. The second project investigates direction-dependent high-harmonic generation in circular hybrid silicon-silicon nitride nanopillars. In contrast to extended metasurfaces, the nonlinear frequency conversion is achieved within an individual nanoresonator. The structural asymmetry in the nanopillar induces bianisotropic mode coupling, resulting in illumination-direction-dependent field confinement and, consequently, asymmetric nonlinear enhancement. Asymmetric generation of the third, fifth, and seventh harmonic frequencies is demonstrated.The results presented highlight how tailored nanophotonics can address practical limitations and provide compact, multifunctional solutions.
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