Nutzung in Photonik bei optischen Schaltkreisen und Leuchtdioden
Prof. Dr. Thomas Zentgraf, Leiter der Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nanophotonik“ am Department Physik der Universität Paderborn, und Prof. Dr. Shuang Zhang, Leiter des Teams an der Universität Birmingham, haben gemeinsam die weltweit erste ultraflache Linse für sichtbares Licht entwickelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen geschliffenen Glaslinsen ist die neue Linse flach und extrem dünn. Sie ist nur 20 bis 30 Nanometer (nm) dick, also 0,00002 bis 0,00003 mm. Ein menschliches Haar ist vergleichsweise etwa 2.000-mal dicker. Die Linse besteht aus einem neuartigen so genannten Metamaterial, einer Kombination aus Glas und Gold und vergrößert bzw. verkleinert Objekte in Abhängigkeit zur Art des einfallenden Lichts, d. h. zu seinem Polarisationszustand. „Die Meta-Linse zeigt, welches Potenzial mit neuartigen optischen Materialien erschlossen werden kann, um Licht sehr effektiv gezielt zu beeinflussen,“ sagt Thomas Zentgraf: „Es eröffnet flexible neue Möglichkeiten zur Erzeugung spezieller Materialeigenschaften, da die Strukturierung der Oberfläche beliebig verändert werden kann.“
Die Meta-Linse kann in Bauteilen für die Photonik genutzt werden und ermöglicht aufgrund ihrer flachen Form eine sehr kompakte Bauweise, z. B. bei integrierten optischen Schaltkreisen oder bei der Strahlformung des Lichts von Leuchtdioden. Weitere Anwendungen sind in der Bio-Physik denkbar, z. B. für die so genannte „optische Pinzette“. Bei dieser Anwendung kann die Meta-Linse ein spezielles Lichtstrahlprofil erzeugen, mit dem Objekte „gefangen“ und festgehalten werden können. Und für zukünftige Entwicklungen eines Quantencomputers könnte die Linse die Funktionsweise der Transistoren übernehmen, wenn sie quasi als „Licht-Schalter“ eingesetzt wird.
Das Metamaterial der neuen Linse besteht aus einer künstlich hergestellten, mikroskopisch feinen Struktur. Auf einem Glasträger werden mittels Elektronenstrahllithografie 100 bis 200 nm lange Goldstäbchen erzeugt. Je nachdem, wie diese Stäbchen ausgerichtet sind, beeinflussen sie das auftreffende Licht wie kleine Antennen lokal unterschiedlich. Damit kann der Effekt einer normalen Streu- oder Sammellinse erzielt werden. Trifft rechts zirkular polarisierendes Licht auf die Meta-Linse, wirkt sie fokussierend. Bei links zirkular polarisierendem Licht wird der Lichtstrahl gestreut, also defokussiert. Die Eigenschaft der Meta-Linse (fokussierend oder defokussierend) kann somit durch einfaches Verändern des Schwingungszustandes des Lichts verändert werden und ist nicht wie bei einer klassischen Linse fest vorgegeben.
Da die Größe der Goldstäbchen in der Linse jeweils auf die Farbe, also die Wellenlänge des verwendeten Lichts abgestimmt sein muss, sind die Strukturen auf der Linse entsprechend klein. „Wir haben am Ende des Spektrums des sichtbaren Lichts bei ca. 700 nm getestet“, so Thomas Zentgraf: „Hier bewegen wir uns an der Grenze des zur Zeit technisch Machbaren mit der Elektronenstrahllithografie, aber auch das wird sich entwickeln.“
Prof. Dr. Thomas Zentgraf leitet am Department Physik der Universität Paderborn die Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nanophotonik“ und ist Mitglied der Zentralen Wissenschaftlichen Einrichtung „Center of Optoelectronics and Photonics Paderborn (CeOPP)“. Seine Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Entwicklung von künstlichen optischen Materialien sowie neuen Konzepten zur Beeinflussung der Lichtausbreitung. Die Originalpublikation im Internet: http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n11/full/ncomms2207.html
