Prof. Dr. Thomas Zentgraf, Leiter der Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nanophotonik“ am Department Physik der Universität Paderborn, ist es gelungen, zusammen mit Prof. Dr. Shuang Zhang von der Universität Birmingham erstmals hocheffiziente Meta-Material-Hologramme in einer extrem dünnen Schicht herzustellen.
Für seine Hologramme verwendet er eine spezielle nanostrukturierte Oberfläche, die schon bei früheren Entwicklungen in seiner Arbeitsgruppe eingesetzt wurde. Nun konnte durch ein besonderes Verfahren mittels Überlagerung verschiedener Lichtwellen die Helligkeit dieser Hologramme um nahezu 800 Prozent gesteigert werden. „Mit dieser Effizienzsteigerung sind wir nah am theoretischen erwarteten Wert für unsere neuartigen Hologramme angekommen“, sagt Thomas Zentgraf.
Das Besondere an den entwickelten Meta-Material-Hologrammen sind deren geringe Dicke von nur 250 Nanometern (nm), also ca. 400-mal dünner als ein Blatt Papier, und die extrem hohe Informationsdichte (ca. 7-mal höher als bei einer DVD). Diese ermöglicht es, hochauflösende Hologramme zu erzeugen. „Die Information in unseren Hologrammen wird durch eine gezielte Anordnung von winzig kleinen Stabantennen gespeichert. Bei der Beleuchtung mit Licht kann diese Information dann wieder abgerufen und somit ein Bild des ursprünglichen Objektes rekonstruiert werden“, erläutert Holger Mühlenbernd, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe.
Im Vergleich zu früheren Arbeiten verwendeten die Forscher jedoch einen zusätzlichen Interferenzeffekt, der von der dünnen Schicht selbst erzeugt wird. „Dieser Effekt ist identisch zur Entstehung der schillernden Farberscheinungen bei Seifenblasen“, erläutert Holger Mühlenbernd. Das Farbspiel bei Seifenblasen entsteht durch eine Überlagerung des reflektierten Lichts an der Vorder- und Rückseite der dünnen Seifenhaut. „Die Kombination dieses Effektes mit der starken Wechselwirkung der kleinen Antennen mit dem Licht führt so zu einer drastischen Verbesserung der Lichtausbeute und deutlich helleren Bildern“, ergänzt Holger Mühlenbernd. Die starke Wechselwirkung der Antennen mit dem einfallenden Licht ermöglicht es zudem, eine kleine Information in jeder Antenne zu speichern und diese mit dem Licht für die Bilderzeugung wieder abzurufen.
Insbesondere die Lichtausbeute war bei den bisherigen Meta-Material-Hologrammen mit den nanoskopisch kleinen Antennen sehr gering. Durch den zusätzlichen Interferenzeffekt kann nun das eingestrahlte Licht fast vollständig für das projizierte Bild genutzt werden.
„Unsere Entwicklung führt zu einer deutlichen Verbesserung der Effizienz dieser nanostrukturierten Hologramme und eröffnet somit den Einsatz in kommerziellen Anwendungen“, sagt Thomas Zentgraf: „Insbesondere bei der Informationsdarstellung auf kleineren Flächen oder bei der Interaktion mit mobilen Geräten könnte diese Technik, z. B. zur Projektion von virtuellen Tastaturen, eingesetzt werden.“ Die Vorteile der nanostrukturierten Hologramme im Vergleich zu klassischen Herstellungsverfahren liegen unter anderem in einem deutlich vergrößerten Blickfeld, der Vermeidung von Zwillingsbildern und der höheren Auflösung.
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.
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Die Originalpublikation kann angesehen werden unter: http://www.nature.com/nnano
