Optische Metaoberflächen ersetzen Glaslinsen

Glaslinsen werden überall dort eingesetzt, wo Licht gezielt gebündelt, gestreut oder fokussiert werden muss. Der steigende Bedarf an kleineren, leichteren und leistungsfähigeren optischen Systemen bringt klassische Glaslinsen an ihre Grenzen: Sie benötigen Bauraum, haben Gewicht und oft mehrere einzelne Komponenten.

Stand der Technik

Als Alternative wurden optische Metaoberflächen entwickelt. Sie werden den diffraktiven optischen Elementen zugeordnet. Anders als herkömmliche Diffraktionsgitter nutzen sie speziell gestaltete Nanostrukturen (Subwellenlängen-Metaatome). Sie werden als nanostrukturierte Schichten auf ein Trägermedium aufgebracht oder direkt aus diesem herausgearbeitet. Eigenschaften des Lichts wie Amplitude, Phase und Polarisation lassen sich durch die Geometrie und Anordnung der Nanostrukturen präzise steuern. Sie erreichen heute in vielen Bereichen die Leistungsfähigkeit klassischer Glaskomponenten oder übertreffen diese in Spezialanwendungen sogar.

Technologie

Forschende des KIT am Institut für Nanotechnologie (INT) setzen zur maßgeschneiderten Fertigung von optischen Metaoberflächen modernste Verfahren wie die Elektronenstrahllithographie ein. Zunächst wird berechnet, welche Phase das Licht an jeder Position der Oberfläche besitzen muss. Jeder Punkt wird in eine konkrete Nanostruktur übersetzt. Diese wird in Materialien wie Silizium, Titandioxid oder andere transparente Hochindexmaterialien geschrieben. Der Schwerpunkt am KIT liegt auf der Strahlformung für den sichtbaren und den Infrarot-Spektralbereich – einschließlich der Erzeugung von Flat-Top-Profilen (Lichtstrahl mit gleichmäßiger Helligkeit) im UV-, sichtbaren und Infrarotbereich sowie der Bildung von Lichtlinien und der Strahlablenkung.

Vorteile

Optische Metaoberflächen sind flach und viel kompakter als Glaslinsen. Dadurch können ultradünne Linsensysteme realisiert werden. In bestimmten Anwendungen können optische Metaoberflächen mehrere optische Bauteile durch eine einzige Oberfläche ersetzen und dadurch Gewicht, Platzbedarf und Systemkomplexität reduzieren, ideal für mobile Geräte. Zudem lassen sie sich mit denselben CMOS-kompatiblen Verfahren herstellen wie Halbleiterchips, wodurch bereits eine industrielle Infrastruktur für die Produktion im großen Maßstab existiert.

Optionen für Unternehmen

Als Möglichkeit der Zusammenarbeit bietet das KIT die Entwicklung kleiner Prototypen an. Innerhalb des KIT sind Metagitter mit einer Kantenlänge von bis zu 2 Millimeter produzierbar. In Zusammenarbeit mit weiteren externen Partnern wäre die Herstellung bis zu 15 Zentimeter Kantenlänge möglich.