Neuartige Metalinse fokussiert alle sichtbaren Wellenlängen auf einen Punkt

Illustration der Metalinse, mit deren Hilfe alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts auf denselben Punkt fokussiert werden können. (Credits: Image courtesy of Jared Sisler / Harvard SEAS)
Illustration der Metalinse, mit deren Hilfe alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts auf denselben Punkt fokussiert werden können. (Credits: Image courtesy of Jared Sisler / Harvard SEAS)

Metalinsen – flache Oberflächen, die Nanostrukturen zum Bündeln von Licht verwenden -, versprechen die Optik zu revolutionieren, indem sie die sperrigen, gekrümmten Linsen, welche heute in optischen Geräten in Gebrauch sind, durch eine einfache, flache Oberfläche ersetzen. Aber diese Metalinsen waren bezüglich des Lichtspektrums begrenzt, das sie gut fokussieren können. Jetzt hat ein Forschungsteam der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) die erste Einzellinse entwickelt, die das gesamte sichtbare Lichtspektrum (inklusive weißem Licht) auf denselben Punkt und in hoher Auflösung fokussieren kann. Bei konventionellen Linsen kann das bisher nur durch die Aneinanderreihung mehrerer Linsen erreicht werden. Die Forschungsarbeit wurde im Journal Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Das Fokussieren des gesamten sichtbaren Lichtspektrums und von weißem Licht (der Kombination aller Farben des Spektrums) ist so anspruchsvoll, weil sich jede Wellenlänge mit einer anderen Geschwindigkeit durch ein Material bewegt. Beispielsweise werden sich rote Wellenlängen schneller durch Glas bewegen als blaue, deshalb werden die beiden Farben den gleichen Ort zu verschiedenen Zeiten erreichen, was in unterschiedlichen Fokuspunkten resultiert. Dadurch werden Bildfehler hervorgerufen, die als chromatische Aberrationen bezeichnet werden.

Kameras und optische Instrumente nutzen mehrere gekrümmte Linsen unterschiedlicher Dicke und Materialien, um diese chromatischen Aberrationen zu korrigieren, was das Gerät natürlich sperriger und schwerer macht.

"Metalinsen haben Vorteile gegenüber konventionellen Linsen", sagte Federico Capasso, der Robert L. Wallace Professor für angewandte Physik und Vinton Hayes Senior Research Fellow für Elektrotechnik an der SEAS. Er ist der Senior-Autor der Abhandlung. "Metalinsen sind dünn, einfach herzustellen und kostengünstig. Dieser Durchbruch weitet diese Vorteile auf den gesamten sichtbaren Bereich des Lichts aus. Das ist der nächste große Schritt."

Das Harvard Office of Technology Development (OTD) hat das geistige Eigentum dieses Projekts geschützt und erkundet dessen Möglichkeiten zur Kommerzialisierung.

Die von Capasso und seinem Team entwickelten Metalinsen nutzen Gruppen mit Nanostrukturen aus Titandioxid, um verschiedene Lichtwellenlängen zu fokussieren und die chromatische Aberration zu eliminieren. Frühere Arbeiten demonstrierten, dass unterschiedliche Lichtwellenlängen in verschiedenen Distanzen fokussiert werden konnten, indem Form, Breite, Abstand und Höhe der Nanostrukturen optimiert werden.

In dem neuesten Design schufen die Forscher Einheiten aus paarweise angeordneten Nanostrukturen, welche die Geschwindigkeit der unterschiedlichen Lichtwellenlängen gleichzeitig kontrollierten. Die paarweise angeordneten Nanostrukturen steuern den Brechungsindex auf der Metaoberfläche und werden verändert, was in Zeitverzögerungen beim Durchqueren des Lichts durch verschiedenen Nanostrukturen resultiert. Dadurch wird gewährleistet, dass alle Wellenlängen zur gleichen Zeit denselben Fokuspunkt erreichen.

"Eine der größten Herausforderungen bei dem Entwurf einer achromatischen Breitbandlinse ist es sicherzustellen, dass die ausgehenden Wellenlängen von allen Punkten der Metalinse den Fokuspunkt zur selben Zeit erreichen", sagte Wei Ting Chen, ein Postdoktorand an der SEAS und Erstautor der Abhandlung. "Durch die Kombination zweier Nanostrukturen zu einem Element können wir die Lichtgeschwindigkeit innerhalb des Nanostrukturmaterials ändern, um zu gewährleisten, dass alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts mit einer einzigen Metalinse auf denselben Punkt fokussiert werden. Das reduziert die Dicke und die Komplexität des Designs im Vergleich zu konventionellen achromatischen Kompositlinsen erheblich."

"Mit unserer achromatischen Linse sind wir in der Lage, hochqualitative Bildgebung im Weißlichtbereich durchzuführen. Das bringt uns dem Ziel einen Schritt näher, sie in übliche optische Geräte wie Kameras zu implementieren", sagte Alexander Zhu, ein Co-Autor der Studie.

Als nächstes zielen die Forscher darauf ab, die Linsen auf einen Durchmesser von etwa einem Zentimeter zu vergrößern. Das würde ganz neue Möglichkeiten eröffnen, beispielsweise Anwendungen im Bereich der virtuellen und erweiterten Realität.

Vyshakh Sanjeev, Mohammadreza Khorasaninejad, Zhujun Shi, and Eric Lee wirkten als Co-Autoren an der Studie mit. Sie wurde teilweise vom Air Force Office of Scientific Research unterstützt. Diese Forschungsarbeit wurde zum Teil am Center for Nanoscale Systems (CNS) durchgeführt, das zur von der National Science Foundation finanzierten National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI) gehört.

Quelle

(THK)

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