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„Ummodelnde“ Spiegel mit nanoskaligen Mustern

Anordnungen winziger rechteckiger Blöcke können gewöhnliche Werkstoffe in Metaoberflächen umwandeln, sodass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler genau steuern können, wie Licht mit diesem Objekt interagiert.

Grundlagenforschung

In den letzten 30 Jahren ist es zu wichtigen technologischen Entwicklungen in der Photonik gekommen, die dadurch eine zentrale Rolle in der Navigation, der Fernerkundung und der Kommunikation eingenommen hat. Allerdings ist für die gezielte Steuerung von Licht die Verwendung optischer Linsen erforderlich, die groß, schwer und zerbrechlich sein können. Das EU-finanzierte Projekt FLATLIGHT trägt zur weiteren Miniaturisierung der Optik und Optoelektronik bei, indem es ein alternatives System zur Lenkung und Beeinflussung von Licht verwendet. „Wir haben optische Geräte entwickelt, die die Funktionsweise großer optischer Linsen und Prismen unter Verwendung nanostrukturierter Oberflächen nachbilden“, erklärt der Projektkoordinator Patrice Genevet.

Steuerung des Lichts

Sein Team am Forschungszentrum für Heteroepitaxie und ihre Anwendungen (CRHEA) an der Universität Côte d‘Azur stellte Oberflächen mit einer Dicke von lediglich einem Mikrometer her, die Anordnungen nanoskaliger rechteckiger Blöcke mit streng kontrollierter Größe, Gestalt und genauen Abständen enthalten. „Diese Komponenten beeinflussen das Licht, indem sie die Eigenschaften des elektromagnetischen Felds ändern, das heißt die Amplitudenphase, die Polarisierung und die Frequenz, und zwar mithilfe eines Materials, das mehr als 100 Mal dünner ist, als der Durchmesser eines menschlichen Haars“, so Genevet. „Das Ziel von FLATLIGHT besteht in der Herstellung von Metaoberflächen, die in sichtbaren Wellenlängenbereichen arbeiten, wobei nanostrukturierte Halbleitermaterialien zum Einsatz kommen, die die Abstrahlung, Übertragung und Reflexion von Licht an der Oberfläche steuern.“ Beispielsweise können bestimmte Nanostrukturen Licht in eine beliebige Richtung umlenken, wenn es auf die Oberfläche fällt. Durch eine genau abgestimmte Veränderung der Muster auf der Oberfläche kann Licht, das auf die Kanten fällt, stärker umgeleitet werden, als Licht, das auf die Mitte der Oberfläche fällt. So kann der Lichtstrahl gebündelt werden. „Bei solchen Oberflächen handelt es sich um Metaoberflächen, deren Funktionalitäten über die herkömmlicher Oberflächen hinausgehen“, fügt Genevet hinzu. „Metaoberflächen, die Licht manipulieren können, sind einzigartig. Ähnliche Effekte sind in keinen anderen optischen Geräten zu finden.“ Sie kommen zum Beispiel in Oberflächenemittern zur Anwendung – winzige elektronische Bauteile, die Laserlicht mit hoher Frequenz und geringer Leistung emittieren. Diese Technologie ist für Anwendungen wie dem LIDAR zur Gesichtserkennung in Smartphones von entscheidender Bedeutung. Genevet und seinem Team gelang es, indem die Oberfläche der Laserdiode mit Mustern versehen wurde, zu zeigen, dass das abgestrahlte Licht nach Belieben gelenkt werden konnte, was die Divergenz reduziert und eine zusätzliche Kollimationslinse überflüssig macht.

Tarngeräte

Die Nanostrukturen können auch Verbesserungen an traditionellen optischen Linsen ermöglichen, die von Natur aus an Mängeln namens Aberrationen leiden. Beispielsweise treten chromatische Aberrationen auf, wenn verschiedene Lichtfarben unterschiedlich stark gebrochen werden, was zu regenbogenfarbenen Verfärbungen an den Bildrändern führt. Auf die Oberfläche der Linse gravierte Nanostrukturen könnten diesbezüglich Abhilfe schaffen. Die Technologie kann auch verwendet werden, um LEDs mit fortgeschritteneren Eigenschaften wie Polarisierung und der Fähigkeit zur gerichteten Beleuchtung und dem Potenzial zur Anwendung in kompakten holographischen Anzeigen herzustellen. „Ein weiterer interessanter Anwendungsbereich ist die Tarnung“, so Genevet. „Stellen Sie sich vor, eine solche Oberfläche um ein Objekt zu wickeln und dann das Bild eines völlig anderen Objekts zu reflektieren. Das wäre eine neue Art der Tarnkappentechnik, die imstande wäre, ein Objekt scheinbar in etwas anderes zu verwandeln, ganz wie bei einem Verwandlungszauber bei Harry Potter.“ Die Arbeit wurde durch den Europäischen Forschungsrat unterstützt. „Es ist völlig klar, dass ohne die Unterstützung des Europäischen Forschungsrats nichts davon möglich gewesen wäre“, merkt Genevet an. „Ich schätze diese großartige Gelegenheit, mein eigenes Programm ins Leben zu rufen, alle entsprechenden Nanofabrikationspläne sowie Konzeptionsprogramme zu entwickeln und das Labor für optische Charakterisierung aufzubauen, wirklich sehr.“ Als Nächstes hat Genevet vor, ein Consolidator Grant zu beantragen, um seine Forschung fortzusetzen. „Uns sind hervorragende neue Ideen gekommen und wir haben jetzt eine klare Vorstellung davon, was möglich ist und was nicht.“ Sein Labor erhielt außerdem Finanzierung für einen Konzeptnachweis der Entwicklung eines kompakten LIDAR-Systems für den Hochfrequenzbereich, das Metaoberflächen einsetzt. Sein Team zielt jetzt darauf ab, einen größeren Prototyp zu bauen, um diese Technologie letztendlich zu kommerzialisieren.

Schlüsselbegriffe

FLATLIGHT, Licht, Brechung, Laser, Metaoberfläche, nanoskalig, ummodeln, Linsen, Photonik, Optoelektronik

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