Beugungsgitter mit Nanowellen

Um Lichtpulse in Glasfasern zu lenken und zu kontrol­lieren, kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. Eine der ältesten und wichtigsten ist das Beugungsgitter, mit dem verschieden­farbiges Licht in genau vorbestimmte Richtungen abgelenkt wird. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, das Design und die Herstellung von Beugungs­gittern zu verbessern und die Gitter den anspruchsvollen Anwendungen von heute anzupassen. An der ETH Zürich haben Forscher um David Norris eine völlig neue Methode entwickelt, mit der effizientere und präzisere Beugungs­gitter hergestellt werden können. Sie taten dies gemeinsam mit Kollegen, die jetzt an der Universität Utrecht arbeiten, und der Firma Heidelberg Instruments Nano, die als ETH-Spin-off SwissLitho gegründet wurde.

Beugungsgitter beruhen auf dem Prinzip der Interferenz. Wenn eine Lichtwelle auf eine gerillte Oberfläche fällt, so wird sie in viele kleinere Wellen aufgeteilt, die jeweils von einer Rille ausgehen. Wenn diese Wellen die Oberfläche verlassen, können sie sich entweder gegenseitig verstärken oder auslöschen, je nach ihrer Ausbreitungs­richtung und Wellenlänge. Dies erklärt, warum die Oberfläche einer mit weißem Licht beleuchteten CD, auf der Daten in feinen Rillen gespeichert sind, einen Regenbogen an reflektierten Farben erzeugt. Damit ein Beugungs­gitter richtig funktioniert, müssen seine Rillen einen ähnlichen Abstand haben wie die Wellen­länge des Lichts, also in etwa einen Mikrometer.

„Traditionell werden diese Rillen mit Herstellungs­methoden der Mikro­elektronik in die Material­oberfläche geätzt“, sagt Nolan Lassaline, Doktorand in Norris’ Arbeitsgruppe. „Das bedeutet allerdings, dass die Rillen des Gitters treppen­artig-kantige Seitenwände haben. Andererseits sagt uns die Physik, dass die Rillen glatt und gewellt sein sollten wie die gekräuselte Wasser­oberfläche eines Sees.“ Mit traditionellen Verfahren herge­stellte Rillen können daher nur eine grobe Näherung darstellen, was zur Folge hat, dass das Beugungsgitter Licht weniger effizient lenkt. Dank eines völlig neuen Ansatzes haben Norris und seine Mitarbeiter nun eine Lösung für dieses Problem gefunden. Ihr Ansatz beruht auf einer Technologie, die ebenfalls aus Zürich stammt. „Unsere Methode ist sozusagen ein Urenkel des Rastertunnel­mikroskops, das die späteren Nobelpreisträger Gerd Binnig und Heinrich Rohrer vor knapp vierzig Jahren in Zürich erfunden haben“, sagt Norris. In einem solchen Mikroskop werden Material­oberflächen mittels einer extrem spitzen Sonde mit hoher Auflösung abgetastet. Die so entstandenen Bilder zeigen sogar einzelne Atome des Materials. 

Umgekehrt kann man die spitze Sonde aber auch benutzen, um ein Material damit zu bearbeiten und so gewellte Oberflächen herzustellen. Dazu heizen die Forscher die Spitze einer Raster­sonde auf fast 1000 Grad Celsius und drücken sie an bestimmten Stellen in eine Polymerschicht. Dadurch brechen die Moleküle des Polymers an diesen Stellen auseinander und verdampfen, wodurch die Oberfläche präzise geformt werden kann. Punkt für Punkt können die Wissenschaftler so beliebige Oberflächen­profile mit einer Auflösung von wenigen Nanometern in die Polymer­schicht schreiben. Zum Schluss wird eine Silberschicht auf das Polymer aufgedampft und das Profil so auf ein optisches Material übertragen. Die Silberschicht kann dann vom Polymer abgelöst und als reflek­tierendes Beugungs­gitter verwendet werden kann. „Auf diese Weise können wir beliebig geformte Beugungs­gitter mit einer Auflösung von wenigen Atomabständen in der Silberschicht herstellen“, sagt Norris. Anders als bei den tradi­tionellen kantigen Rillen sind solche Gitter sind nun keine Näherungen mehr, sondern praktisch perfekt, und sie lassen sich so formen, dass die Interferenz der reflektierten Lichtwellen präzise kontrollier­bare Muster bildet.

Solche perfekten Beugungs­gitter eröffnen neue Möglich­keiten der Lichtkontrolle, die zu einer Reihe von Anwendungen führen, sagt Norris: „Die neue Technik kann beispiels­weise dazu verwendet werden, winzige Beugungs­gitter in integrierte Schaltkreise einzubauen, mit denen optische Signale für das Internet noch effizienter gesendet, empfangen und verteilt werden können.“ Lassaline fügt hinzu: „Generell können wir mit solchen Beugungs­gittern stark miniaturisierte optische Geräte wie etwa Mikro-Laser herstellen, die in einen Chip integriert sind.“ Diese minia­turisierten Geräte, sagt er, reichen von ultra-dünnen Kameralinsen bis hin zu kompakten Holo­grammen mit schärferen Bildern. Sie werden voraus­sichtlich verschiedenste optischen Techno­logien beeinflussen, wie etwa futuris­tische Handyk­ameras, Biosensoren oder autonomes maschinelles Sehen für Roboter und selbstfahrende Autos.

ETHZ / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  N. Lassaline et al.: Optical Fourier surfaces, Nature 582, 506 (2020); DOI: 10.1038/s41586-020-2390-x
• Optical Materials Engineering Laboratory, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich