18 research outputs found

    Anomalies in Light Scattering

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    Scattering of electromagnetic waves lies at the heart of most experimental techniques over nearly the entire electromagnetic spectrum, ranging from radio waves to optics and X-rays. Hence, deep insight into the basics of scattering theory and understanding the peculiar features of electromagnetic scattering is necessary for the correct interpretation of experimental data and an understanding of the underlying physics. Recently, a broad spectrum of exceptional scattering phenomena attainable in suitably engineered structures has been predicted and demonstrated. Examples include bound states in the continuum, exceptional points in PT-symmetrical non-Hermitian systems, coherent perfect absorption, virtual perfect absorption, nontrivial lasing, non-radiating sources, and others. In this paper, we establish a unified description of such exotic scattering phenomena and show that the origin of all these effects can be traced back to the properties of poles and zeros of the underlying scattering matrix. We provide insights on how managing these special points in the complex frequency plane provides a powerful approach to tailor unusual scattering regimes

    Doctor of Philosophy

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    dissertationDriven by a myriad of potential applications such as communications, medical imaging, security, spectroscopy, and so on, terahertz (THz) technology has emerged as a rapidly growing technological field during the last three decades. However, since conventional materials typically used in microwave and optical frequencies are lossy or do not effectively respond at these frequencies, it is essential to find or develop novel materials that are suitable for device applications in the THz range. Therefore, there is wide interest in the community in employing novel naturally-occurring materials, such as 2D materials, as well as in designing artificial metamaterial structures for THz applications. Here, we combined both of these approaches so to develop reconfigurable THz devices capable of providing amplitude modulation, phase modulation, and resonance frequency tuning. First, graphene is employed as the reconfigurable element in metamaterial phase modulators. For this purpose, we propose the use of unit cells with deep-subwavelength dimensions, which can have multiple advantaged for beam shaping applications. The analyzed metamaterials have one of the smallest unit cell to wavelength ratios reported or proposed todate at THz frequencies. By systematic analysis of the geometrical tradeoffs in these devices it is found that there is an optimal unit cell dimension, corresponding roughly to ~λ/20, which can deliver the best performance. In addition to this, we explored other applications of graphene in metamaterial devices, including amplitude modulation and resonance-shifting. These studies motivated us to analyze what is the most suitable role of graphene from a THz device perspective: is graphene a good plasmonic material? Or it is better suited as a reconfigurable material providing tunability to otherwise passive metallic structures? Our studies show that the Drude scattering time in graphene is an important parameter in this regard. In order to attain strong plasmonic resonances graphene samples with τ >> 1ps are required, which is challenging in large area CVD samples. But graphene is just one example of a wider class of 2D materials. In this work we also studied for the first time the application of 2D materials beyond graphene as reconfigurable elements in THz devices. For this purpose, Molybdenum Disulfide (MoS2) was employed as the reconfigurable element in cross-slot metamaterial amplitude modulators. Our results evidence that smaller insertion loss is possible when employing 2D materials with a bandgap, such as MoS2, rather than a zero-gap material such as graphene. Furthermore, because of a stronger optical absorption active control of the metamaterial properties is possible by altering the intensity of an optical pump. We later investigate and discuss transparent conductive oxides (TCOs), which constitute an interesting choice for developing visible-transparent THz-functional metamaterial devices for THz applications. These materials show a metallic THz response and thus can substitute the metal patterns in metamaterial devices. In our particular studies we analyzed samples consisting of: (i) two-dimensional electron gases at the interface between polar/nonpolar complex oxides having record-high electron density, and (ii) thin-films of La-doped BaSnO3 having record-high conductivity in a TCO. These materials exhibit a flat THz conductivity across a broad terahertz frequency window. As a result of their metal-like broadband THz response, we demonstrate a visible-transparent THz-functional electromagnetic structure consisting of a wire-grid polarizer

    Transient Electric Field Shaping With the Linear Combination of Configuration Field Method for Enhanced Spatial Control of Microwave Plasmas

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    The demonstration of enhanced spatial control of nanosecond microwave plasmas generated by the time reversal plasma source is presented in this paper. This new microwave plasma source relies on the spatio-temporal control of the electric field inside an all-metal plasma reactor by modifying the waveform of a high power microwave signal. More specifically, it originally used the spatio-temporal focusing capabilities of the time reversal method to focus a high electric field in a small location. However, a parasitic microwave breakdown can still occur at sharp corners or wedges inside the cavity due to the local enhancement of the residual electric field during time reversal focusing. Thus, it is proposed to use the linear combination of configuration field method to improve field control inside the reactor. Its transient electric field shaping capabilities turn out to be a good candidate for the development of a low pressure microwave ``plasma brush''

    1-D broadside-radiating leaky-wave antenna based on a numerically synthesized impedance surface

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    A newly-developed deterministic numerical technique for the automated design of metasurface antennas is applied here for the first time to the design of a 1-D printed Leaky-Wave Antenna (LWA) for broadside radiation. The surface impedance synthesis process does not require any a priori knowledge on the impedance pattern, and starts from a mask constraint on the desired far-field and practical bounds on the unit cell impedance values. The designed reactance surface for broadside radiation exhibits a non conventional patterning; this highlights the merit of using an automated design process for a design well known to be challenging for analytical methods. The antenna is physically implemented with an array of metal strips with varying gap widths and simulation results show very good agreement with the predicted performance

    Beam scanning by liquid-crystal biasing in a modified SIW structure

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    A fixed-frequency beam-scanning 1D antenna based on Liquid Crystals (LCs) is designed for application in 2D scanning with lateral alignment. The 2D array environment imposes full decoupling of adjacent 1D antennas, which often conflicts with the LC requirement of DC biasing: the proposed design accommodates both. The LC medium is placed inside a Substrate Integrated Waveguide (SIW) modified to work as a Groove Gap Waveguide, with radiating slots etched on the upper broad wall, that radiates as a Leaky-Wave Antenna (LWA). This allows effective application of the DC bias voltage needed for tuning the LCs. At the same time, the RF field remains laterally confined, enabling the possibility to lay several antennas in parallel and achieve 2D beam scanning. The design is validated by simulation employing the actual properties of a commercial LC medium

    Bioreplicated Light-Harvesting Layers for Photovoltaics

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    Die hierarchischen Mikro-/Nanostrukturen, welche die BlĂŒtenblattoberflĂ€chen einer Vielzahl von BlĂŒtenpflanzen zieren, weisen oftmals hervorragende Lichtsammlungs- sowie Selbstreinigungseigenschaften auf. Diese QualitĂ€ten können mit Hilfe von direkten Replikationsverfahren technisch nutzbar gemacht werden, beispielsweise fĂŒr die photovoltaische Stromerzeugung. Replikationsverfahren zielen darauf ab die multi-skalige OberflĂ€chenstruktur von BlĂŒtenblĂ€ttern in ein transparentes Polymer zu ĂŒbertragen und auf der Vorderseite von Solarmodulen aufzubringen. Im Laufe der letzten Jahren haben sich hauptsĂ€chlich PolymerabgĂŒsse und die sog. Soft-Imprint Nanolithographie als gĂ€ngige Verfahren zur direkten Kopie von (sowohl kĂŒnstlich hergestellten, als auch) natĂŒrlichen Mikro-, Nano-, und multi-skaligen Strukturen in adĂ€quate technische Materialien, wie z.B. Polymere zur Ausnutzung ihrer hochoptimierten optischen und/oder Benetzungseigenschaften fĂŒr optoelektronische Bauteile, etabliert. Eine großflĂ€chige Anwendung dieser Verfahren wurde jedoch bislang aufgrund der naturgegebenen MaximalgrĂ¶ĂŸe von BlĂŒtenblĂ€ttern nicht etabliert. Des Weiteren kann auf Basis eines einzigen Polymerstempel nur eine limitierte Anzahl an Replikaten mit hoher StrukturqualitĂ€t mittels Soft-Imprint hergestellt werden. Ein Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Überwindung dieser HĂŒrden durch Weiterentwicklung der Replikationstechniken fĂŒr pflanzliche OberflĂ€chenstrukturen. Eine solche, in der FlĂ€che hochskalierte Bioreplikationsmethode mit gleichzeitig erheblich gesteigertem Durchsatz wird in dieser Arbeit am Beispiel der hierarchischen OberflĂ€chenstruktur von RosenblĂŒtenblĂ€ttern als natĂŒrliche Strukturvorlage aufgezeigt. Das vorgestellte Verfahren basiert auf der Entwicklung metallischer PrĂ€gewerkzeuge, welche in einem statischen HeißprĂ€geprozess eingesetzt werden. Diese Entwicklung ermöglicht die Herstellung von Replikaten pflanzlicher OberflĂ€chenstrukturen mit hoher StrukturqualitĂ€t, in nie dagewesener StĂŒckzahl, und erstmals auch in einer fĂŒr eine Integration in kommerzielle Solarmodule relevanten GrĂ¶ĂŸe. Die hochskalierten, temperaturstabilen und mechanisch robusten PrĂ€gewerkzeuge werden dabei per galvanischer Nickelabscheidung hergestellt. Die primĂ€re Strukturvorlage fĂŒr diesen Prozess wird dabei durch vorsichtige Aneinanderreihung mehrerer natĂŒrlicher RosenblĂŒtenblĂ€tter zu einer möglichst lĂŒcken- und nahtlos strukturierten Einheit erzeugt. Der HeißprĂ€geprozess zur Herstellung hochskalierter Polymerreplikate der RosenblĂŒtenblattstruktur wird anhand von drei verschiedenen, transparenten Folienmaterialien diskutiert. Sowohl fĂŒr Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), und Fluorethylen-Propylen (FEP) wird mit Hilfe des entwickelten Replikationsverfahrens eine hervorragende Strukturtreue ĂŒber mehrere LĂ€ngenskalen hinweg, vom sub-Mikrometer Bereich bis hin zu makroskopischen Merkmalen, mit gleichzeitig nahezu durchgĂ€ngiger Strukturierung bei einer gesamten StrukturflĂ€che von bis zu 12.5 cm×10.0 cm pro Replikat erzielt. Als vorderseitige Beschichtung fĂŒr Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) Solarzellen erweisen sich heißgeprĂ€gten Rosenreplikate als effektive Antireflex- und Light-Trapping-Maßnahme fĂŒr einen breiten Spektralbereich und besonders fĂŒr Lichteinfallswinkel >50°. Mit heißgeprĂ€gten Rosenreplikaten aus PMMA lĂ€sst sich sogar bei senkrechtem Lichteinfall eine gegenĂŒber einer optimierten Magnesiumfluorid (MgF2) Antireflexbeschichtung verbesserte Antireflexwirkung feststellen. Optoelektronische Messungen bestĂ€tigen, dass sich diese Reflexionsverminderung auch entsprechend auf die Nennleistung der Solarzellen auswirkt, mit einer um im Mittel um 5.7%±0.6% gesteigerten Umwandlungseffizienz (verglichen mit den jeweiligen Solarzellen vor Aufbringung der Antireflexschichten) im Falle von PMMA Rosenreplikaten und 4.5%±1.6% fĂŒr MgF2 DĂŒnnschicht-Antireflexbeschichtungen. Weiter wird gezeigt, dass heißgeprĂ€gte Rosenreplikate auch mit wasserabweisenden Eigenschaften (mit einem statischer Kontaktwinkel von 134.4°±4.3°) erzeugt werden können, sogar ohne dabei auf zusĂ€tzliche Schritte zur OberflĂ€chenmodifikation zurĂŒckgreifen zu mĂŒssen. Dazu wird als Ausgangsmaterial fĂŒr den HeißprĂ€geprozess ein Polymermaterial mit geringer freier OberflĂ€chenenergie benötigt, was beispielsweise bei FEP gegeben ist. Wassertropfen, die auf geneigte FEP Rosenreplikate fallen, perlen von diesen sofort und restlos ab, was auf eine potentielle Eignung von FEP Rosenreplikaten zur Produktion selbstreinigender Solarmodule hindeutet. Der Leistungszuwachs, der durch die Anwendung der hochskalierten PMMA Rosenreplikate bewirkt wird, wird des Weiteren auch unter realistischen Betriebsbedingungen ĂŒber neun Monaten Betrieb unter Außenbedingungen in Karlsruhe (Deutschland) untersucht, und zwar fĂŒr 10 cm×10 cm CIGS und siliziumbasierte Solarmodule unter verschiedenen Modulneigungswinkeln und Modulorientierungen. Besonders hohe Steigerungen der tĂ€glichen Energieausbeute verglichen mit einem Referenzmodul ohne strukturierte Polymerfolie von bis zu deutlich ĂŒber 10% werden dabei vor allem unter Aufstellbedingungen gemessen, die mit viel direkter Sonneneinstrahlung unter schrĂ€gem Lichteinfall einhergehen. Mit Hilfe beschleunigter Alterungs- und Abnutzungstests, welche standardisierten Testprotokollen aus der PV Industrie nachempfunden sind, wird außerdem auf die potentielle Langzeiteignung solch strukturierter Folien auf SolarmoduloberflĂ€chen hingewiesen. Außerdem werden die optischen Eigenschaften typischer BlĂŒtenblattstrukturen auf Solarzellen mit Hilfe einer speziell entwickelten 3D Mikrostruktur-Modellierungs- und Simulationsroutine, basierend auf Monte-Carlo-Raytracing und der Transfer-Matrix-Methode, hinsichtlich des Einflusses ungeordneter Strukturbausteine auf die Lichteinkopplungseigenschaften im Detail diskutiert. Durch Variation der StĂ€rke der strukturellen Unordnung sowohl in der Höhe, der Anordnung, als auch der Neigung der Strukturbausteine der betrachteten, BlĂŒtenblattepidermis-inspirierten Mikrostrukturen lĂ€sst sich zeigen, dass ihre winkelabhĂ€ngigen Reflexionseigenschaften nur schwach von Unordnung abhĂ€ngen und in erster Linie vom mittleren AspektverhĂ€ltnis und der mittleren Packungsdichte der Strukturbausteine bestimmt werden. Schließlich werden die Polarisationseigenschaften von an Solarmodulen reflektiertem Licht hinsichtlich der möglichen schĂ€dlichen Auswirkungen auf polarotaktische Insektenarten diskutiert. Die vorderseitige Glasabdeckung herkömmlicher Solarmodule reflektiert aufgrund ihrer glatten OberflĂ€che linear polarisiertes Licht, wobei der Polarisationsgrad vom Einfallswinkel/ Betrachtungswinkel abhĂ€ngt (vollstĂ€ndige lineare Polarisation bei Betrachtung unter dem Brewster-Winkel). Unbeabsichtigt wird dadurch der Insektenfauna geschadet, da polarotaktische Insekten Solarmodule als solche nicht erkennen und diese fĂ€lschlicherweise oft als GewĂ€sser identifizieren, was dann beispielsweise eine Eierablage an einem ungeeigneten Ort und damit den Verlust der Nachkommen zur Folge haben kann. Experimente im Freifeld zeigen jedoch erstmals, dass keinerlei derartige schĂ€dliche Anziehungswirkung auf polarotaktische Eintagsfliegen (Ephemeroptera: Ephemera danica) und Bremsen (Diptera: Tabanidae) im Falle von PMMA Rosenreplikaten auf Solarmodulen zu befĂŒrchten ist. Basierend auf bildgebender Polarimetrie und Monte-Carlo-Raytracing-Simulationen werden diese Resultate auf die optischen Eigenschaften mikrostrukturierter OberflĂ€chen zurĂŒckgefĂŒhrt
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