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Metalinsen

Mit beeindruckenden Entwicklungsfortschritten im Bereich der Metalinsen könnten wir gerade den Beginn einer neuen Optik erleben. Metalinsen sind neuartige optische Bauteile, die Licht nicht wie herkömmliche Linsen fokussieren, sondern auf nanostrukturierten Oberflächen beruhen. Dadurch können sie bis zu 1000-mal flacher ausfallen und zukünftig bisher unerreicht kompakte, leichte und kostengünstige optische Systeme ermöglichen.

Eine Metalinse besteht aus einem flachen lichtdurchlässigen Trägermaterial, auf dem unterschiedlich dimensionierte nanoskalige Elemente in ausgeklügelter Anordnung erzeugt wurden. Schickt man nun Licht durch eine solche Metaoberfläche, so werden die einzelnen Lichtwellen an diesen Elementen unterschiedlich stark verzögert. Hinter der Metaoberfläche überlagern sich die Lichtwellen dann zu neuen Wellenfronten mit anderen Ausbreitungsrichtungen. Speziell bei Metalinsen sind diese Elemente so konzipiert und verteilt, dass das Licht dahinter in einem Brennpunkt zusammenläuft – wie bei einer herkömmlichen Linse. Generell lassen sich Metaoberflächen aber auch so gestalten, dass sie die Funktionalitäten von anderen optischen Komponenten nachahmen, wie beispielsweise von Strahlteilern, Polarisatoren oder Beugungsgittern.

Die einzelnen Elemente einer Metaoberfläche müssen dafür deutlich kleiner sein als die Wellenlänge des Lichts, weshalb zu ihrer Herstellung hochauflösende lithografische Verfahren eingesetzt werden. Die bisher demonstrierten Metalinsen sind oft noch mittels Elektronenstrahllithographie erzeugt worden, wobei die gewünschten Strukturen nacheinander mit einem Elektronenstrahl zunächst in eine entsprechende Lackschicht geschrieben werden müssen. Da dieser Prozess sehr zeitaufwändig ist, sind die meisten demonstrierten Metalinsen bisher noch sehr klein – mit unter 100 Mikrometern Durchmesser zu klein für die meisten praxisrelevanten Anwendungen. In Zukunft sollen sie jedoch mit den existierenden fotolithografischen Verfahren der Chipherstellung mit größeren Durchmessern und in Massen gefertigt werden können – dann zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Linsen. Ein erster Schritt in diese Richtung gelang Forschern im letzten Dezember mit der Produktion von Metalinsen mit 1 Zentimeter Durchmesser, deren optische Leistungsfähigkeit wiederum noch stark verbesserungsbedürftig ist.

Mit Metalinsen die gleiche optische Leistungsfähigkeit wie mit herkömmlichen Linsen zu erreichen, ist eine Herausforderung, an der Forscher schon fast zwei Jahrzehnte arbeiten. Oft funktionierten die demonstrierten Metalinsen bisher nur mit Licht einer bestimmten Wellenlänge oder einer bestimmten Polarisation. Vor gut einem Jahr gelang Forschern jedoch ein entscheidender Durchbruch. Auf der Grundlage von verbesserten Computerberechnungen konnten sie eine komplex strukturierte Metaoberfläche herstellen, die Licht unabhängig von dessen Polarisation und über fast den gesamten Bereich des sichtbaren Spektrums fokussieren kann (460 bis 700 Nanometer) – und dies sogar in einen einzigen Brennpunkt. Letzteres gelingt selbst mit einer herkömmlichen Linse nicht, da unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich stark gebrochen werden. Zur Korrektur dieser sogenannten chromatischen Aberration müssen in Objektiven von Mikroskopen und Kameras daher heute zusätzliche Korrekturlinsen eingesetzt werden, um scharfe Bilder erzeugen zu können. Mit diesen von sich aus achromatischen Metalinsen werden daher äußert flache Objektive vorstellbar, wobei auch sie sind mit ihren nur 26 Mikrometern Durchmesser momentan noch bei weitem zu klein für eine praktische Anwendung.

Zukünftige ausgereifte Metalinsen wären von besonderem Interesse für bildgebende Anwendungen, bei denen möglichst flache und kompakte Optiken benötigt werden, wie z. B. für Kameras in Smartphones, Tablets und Mini-Drohnen oder für medizinische Endoskope. Ihr geringes Gewicht wäre außerdem im Zusammenhang mit tragbaren optischen Systemen wie Virtual-Reality- oder Augmented-Reality-Brillen vorteilhaft. Darüber hinaus könnte der Einsatz von Metalinsen zu Verbesserungen in der Mikroskopie, der Fotolithografie und der optischen Kommunikation führen. Ihr Erfolg wird davon abhängen, ob es Forschen gelingen wird, ihren Durchmesser massenfertigungstauglich aus dem Mikrometer- in den Millimeterbereich zu bringen.

Dr. David Offenberg

 

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