Licht und Plasma sind zentrale Forschungswerkzeuge in den Natur-, Ingenieur- und Lebenswissenschaften und die Grundlage für photonische Technologien. Maßgeschneidertes Licht in breiten Spektral- und Zeitbereichen hat die Anwendungsmöglichkeiten photonischer Methoden massiv erweitert. Es macht die Photonik zu einer der wichtigsten Schlüssel- und Querschnittstechnologien für das 21. Jahrhundert.
Photonische Technologien werden in vielen Bereichen angewendet, etwa in den Geo-, Weltraum- und Lebenswissenschaften, der Medizin, der Kommunikation, den Quantentechnologien, für Sicherheitsanwendungen sowie in der Datenspeicherung. Photonische Forschung und Technologien zählen zu den wichtigsten Innovationstreibern für die moderne Gesellschaft und Wirtschaft.
Die Entwicklung neuartiger Lichtquellen und insbesondere neuer Lasersysteme kommt vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik zugute. Dazu gehören ultrastabile Laser mit schmaler Linienbreite, Laser mit ultrakurzen Impulsen und Laser, die in neuen Spektralbereichen emittieren. Sie umfasst eine Vielzahl von Technologien, darunter Kristalle, Halbleiter, Fasern und Wellenleiter auf photonischen Chips.
Als eine Art von Lasersystemen werden optische Frequenzkämme in allen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums entwickelt, vom Terahertz- bis zum extremen Ultraviolett-Bereich. Dabei kommen verschiedene photonische Technologien zum Einsatz, von modengekoppelten Lasern auf Basis von Kristallen oder dotierten Fasern bis hin zu passiven und aktiven Komponenten auf photonischen Chips. Sie werden für eine Vielzahl von Präzisionsmessungen und in der Quantentechnologie eingesetzt, vom Frequenzmaßstab und Uhrwerkmechanismus für eine optische Uhr bis hin zu Sensoren in der Spektroskopie sowie Längenmessungen.
Die Leibniz-Institute der Sektion arbeiten in einem Bereich, der vom grundlegenden Erkenntnisgewinn der Licht-Materie-Wechselwirkung auf extremen Zeit- und Längenskalen bis hin zu optoelektronischen Bauelementen und technischen Systemen reicht. Hierbei werden Licht-Materie-Wechselwirkungen genutzt, um Materialien und Bauteile zu untersuchen, Oberflächen und Nanostrukturen zu formen und deren Eigenschaften zu schalten. Ein besonderes Potenzial für Anwendungen liegt im koordinierten gemeinsamen Design von Licht und Materie, durch das völlig neue Funktionalitäten für Anwendungen auf der Basis von Quanteneffekten realisiert werden können, im direkten Zusammenspiel der Photonik mit der Materialforschung. Eine wichtige Rolle spielen auch theoretische Arbeiten und mathematische Methoden der Analyse und Simulation.
Im Terahertz-Bereich, also im elektromagnetischen Spektrum beim Übergang von langwelliger Infrarot-Strahlung hin zu elektronischen Frequenzen für die drahtlose Kommunikation, werden grundlegende optische und elektrische Materialeigenschaften untersucht. Verschiedenste Diodenlaser, wie etwa Quantenkaskadenlaser oder Hochleistungslaser sowie neuartige Detektoren werden an den Leibniz-Instituten mit atomarer Präzision synthetisiert, mittels theoretischer Analysen optimiert und durch neueste Materialcharakterisierungsmethoden validiert. In Bauelemente der nächsten Generation translatiert, erschließen die Ergebnisse so vielversprechende Anwendungen, etwa in der Sicherheitstechnik an Flughäfen oder bei der Erforschung der Erdatmosphäre und des Weltalls sowie bei der Entwicklung kosteneffektiver Resilienzsysteme zum Schutz unseres öffentlichen Lebens.
Der Spektralbereich der Röntgenstrahlung bietet neue Möglichkeiten, um die atomare und elektronische Struktur von Materialien zeitaufgelöst zu studieren und damit dynamische Prozesse auf der atomaren und Nanometerskala zu verstehen, die — neben dem grundsätzlichen Erkenntnisgewinn — zukünftig als Mechanismen zur Realisierung neuartiger Anwendungen z. B. im Bereich quantenbasierter Sensorik genutzt werden können. Filme mit Nanometer-Auflösung erlauben es, Funktionsbauteile zu analysieren und zu optimieren.
Optische Methoden können vielseitig eingesetzt werden; die Leibniz-Institute der Sektion entwickeln neue Methoden und verschieben die Grenze des technisch Möglichen. Die Doppelfrequenzkamm-Interferometrie erweitert die Grenzen der Präzisionsmessung in mehreren Bereichen. Als spektroskopische Technik gibt sie Aufschluss über die Struktur von Materie oder dient Sensoranwendungen, z. B. für die Umwelt- oder Gesundheitsdiagnostik. Weitere Anwendungen der Interferometrie sind die Dimensionsmesstechnik makroskopischer Objekte mit einer Genauigkeit im Sub-Nanometerbereich. Im Bereich der Astrophysik ermöglichen photonische Methoden – die sogenannte Astrophotonik – neue Ansätze in der Miniaturisierung von optischen Elementen, um so neue Erkenntnisse in Weltraummissionen zu sammeln sowie Präzisionsmessungen in der Spektroskopie und Interferometrie durchzuführen.
Im Bereich der Atmosphärenphysik entwickeln die Leibniz-Institute spezielle Verfahren zum Einsatz der Laser, das sogenannte „LiDAR“ (Light Detecting and Ranging). Mit dem LiDAR werden die thermische und dynamische Struktur vom Erdboden bis zur obersten Schicht der Atmosphäre, der Thermosphäre, untersucht. Dabei erreichen die von Leibniz-Instituten entwickelten Systeme zeitliche und räumliche Auflösungen, die neue Erkenntnisse in dem globalen Zusammenspiel unseres Planeten erlauben und wissenschaftliche Vorhersagen und ein globales Verständnis der Vorteile nachhaltigen Handeln auf die Habitabilität unseres Planeten ermöglichen. Verbesserte LiDAR-Systeme sichern die technologische Spitzenposition weltweit beim autonomen Fahren, da sie für die Abstandsmessung unverzichtbar sind.
Parallel dazu wird die Entwicklung neuer photonischer Systeme (Plasma, Licht) verfolgt, u. a. auch für die Umweltanalytik, die Erforschung von plasma- und ionengestützten Technologien zur Präzisionsfertigung von Oberflächen für die Optik und Photonik bis hin zu Anwendungen in der Medizintechnik, wie bspw. in Geräten für medizinische Diagnosen und neue Formen in der Therapie sowie Anwendungen in der Hygiene. Kalte Atmosphärendruckplasmen ermöglichen darüber hinaus neuartige Kombinationen von photonischen und plasmabasierten Verfahren.
Wichtige Forschungsthemen sind weiterhin die Entwicklung analytischer Methoden für dünne Schichten und kleinste Materialmengen, die Entwicklung kompakter Diodenlaser mit hoher Ausgangsleistung, neue Anwendungen der Plasma- und Lasertechnologie in der Medizin, Sensorik und Verfahrenstechnik sowie die monolithische Integration von Lichtquellen aus III-V-Verbindungshalbleitern in die Si-Technologie. Neue technologische und materialwissenschaftliche Herausforderungen, wie die Integration optischer photonischer Schaltkreise auf der skalierbaren Silizium- Technologieplattform, werden aktiv verfolgt, wie auch die Synthese und Realisierung innovativer Quantenlichtquellen, die auf verschränkten Photonen basieren und in der Medizin und Umweltanalytik eingesetzt werden.
