Entwicklung der weltweit ersten ultraflachen, bipolaren Meta-Linse gelungen

(Nanowerk News) Prof. Dr. Thomas Zentgraf, Leiter der Arbeitsgruppe "Ultraschnelle Nanophotonik" am Department Physik der UniversitĂ€t Paderborn, und Dr. Shuang Zhang, Leiter des Teams an der UniversitĂ€t Birmingham, haben gemeinsam die weltweit erste ultraflache Linse fĂŒr sichtbares Licht entwickelt (Nature Communications: "Dual-polarity plasmonic metalens for visible light").
Im Gegensatz zu herkömmlichen geschliffenen Glaslinsen ist die neue Linse flach und extrem dĂŒnn. 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 vergrĂ¶ĂŸert bzw. verkleinert Objekte in AbhĂ€ngigkeit zur Art des einfallenden Lichts, d.h. zu seinem Polarisationszustand.
Doktorand Holger MĂŒhlenbernd (links) und Prof. Dr. Thomas Zentgraf im Reinraum des Optoelektronik-GebĂ€udes der UniversitĂ€t Paderborn
Doktorand Holger MĂŒhlenbernd (links) und Prof. Dr. Thomas Zentgraf im Reinraum des Optoelektronik-GebĂ€udes der UniversitĂ€t Paderborn.
"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 OberflÀche beliebig verÀndert werden kann."
Die Meta-Linse kann in Bauteilen fĂŒr 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. fĂŒr 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 fĂŒr zukĂŒnftige Entwicklungen eines Quantencomputers könnte die Linse die Funktionsweise der Transistoren ĂŒbernehmen, wenn sie quasi als 'Licht-Schalter' eingesetzt wird."
Das Metamaterial der neuen Linse besteht aus einer kĂŒnstlich hergestellten, mikroskopisch feinen Struktur. Auf einem GlastrĂ€ger werden mittels Elektronenstrahllithografie 100 bis 200 nm lange GoldstĂ€bchen erzeugt. Je nachdem, wie diese StĂ€bchen 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 VerĂ€ndern des Schwingungszustandes des Lichts verĂ€ndert werden und ist nicht wie bei einer klassischen Linse fest vorgegeben.
Da die GrĂ¶ĂŸe der GoldstĂ€bchen in der Linse jeweils auf die Farbe, also die WellenlĂ€nge 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 UniversitĂ€t Paderborn die Arbeitsgruppe "Ultraschnelle Nanophotonik" und ist Mitglied der Zentralen Wissenschaftlichen Einrichtung "Center of Optoelectronics and Photonics Paderborn (CeOPP)". Seine Arbeitsgruppe beschĂ€ftigt sich mit der Entwicklung von kĂŒnstlichen optischen Materialien sowie neuen Konzepten zur Beeinflussung der Lichtausbreitung.
Source: UniversitÀt Paderborn
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