Digitale Hologramme mit Plasmonen

Holografische Displays, durch die man Objekte von allen Seiten betrachten kann, kennt man vor allem aus Science-Fiction-Filmen. Doch inzwischen gibt es solche Displays, bestehend aus elektronisch gesteuerten Flüssigkristallpixeln auf einer metallbeschichteten Siliziumunterlage, tatsächlich. Forscher der University of Cambridge gelang es jetzt, in die Metallschicht Hologramme einzuschreiben und dadurch den Pixeln zusätzliche Funktionalität zu verleihen.

Im Gegensatz zu einer Fotografie bildet ein Hologramm die von einem Objekt abgestrahlten Lichtwellen mit der richtigen Intensität und Phase nach. Befindet sich der Betrachter in diesem künstlich erzeugten Lichtfeld, so hat er denselben optischen Eindruck, als wenn sich das Objekt direkt vor seinen Augen befinden würde. Insbesondere kann er das holographische Bild aus verschiedenen Richtungen betrachten. Während in einem herkömmlichen Hologramm die optische Information als Interferenzmuster permanent in einem Film gespeichert ist, ermöglicht es ein holografisches Display, ein beliebiges Hologramm zu erzeugen und zu verändern. Dazu wird aus der räumlichen Information über einen Gegenzustand und aus den Beleuchtungsverhältnissen berechnet, wie ein optischer Modulator die Phase und Intensität einer gegebenen Lichtwelle verändern muss, damit das gewünschte Hologramm entsteht.

Sehr leistungsfähig sind beispielsweise als Bildprojektoren genutzte räumliche Lichtmodulatoren, die aus einer Anordnung von elektronisch gesteuerten Flüssigkristallpixeln bestehen. In diesen Pixeln richten sich die Moleküle einer Flüssigkristallschicht, die sich zwischen einer lichtdurchlässigen ITO-Elektrode und einer reflektierenden Metallelektrode befinden, je nach Stärke der anliegenden elektrischen Spannung unterschiedlich aus. Die Schicht wird dadurch doppelbrechend, sodass sie eine hindurchgehende Lichtwelle phasenmodulieren kann. Hinter den Metallelektroden der Flüssigkristallpixel befindet sich ein Halbleiterchip, der die Pixel einzeln ansteuert und in ihrer Gesamtheit zu einem holografischen Display macht. Eine von diesem Display reflektierte Lichtwelle wird in gewünschter Weise räumlich phasenmoduliert, sodass ein Hologramm sichtbar wird. Die metallbeschichtete Rückseite der Pixel reflektiert dabei lediglich das Licht. Doch sie kann noch viel mehr, wie Timothy Wilkinson und seine Kollegen zeigen.

Im vergangenen Jahr hatten die Forscher auf eine Siliziumoxidunterlage Nanopartikel in einem komplizierten und vorausberechneten Muster abgelegt. Anschließend hatten sie die strukturierte Unterlage mit einer Silberschicht überzogen, die über den Nanoteilchen winzige Buckel bildete. Mit Licht konnten in der Silberschicht die Leitungselektronen zum Schwingen gebracht und dadurch Oberflächenplasmonen angeregt werden. Da lokalisierte Plasmonen an den Buckeln auftraten, wurden diese zu winzigen optischen Antennen. Das von all diesen Antennen abgestrahlte Licht bildete ein Hologramm. Jetzt sind die Forscher einen Schritt weiter gegangen. Sie haben die metallbeschichtete Unterseite eines – allerdings millimetergroßen – Flüssigkristallpixels mit zahllosen optischen Antennen versehen. In der Anordnung der Antennen waren diesmal zwei unterschiedliche Hologramme verborgen. Mit Hilfe der Flüssigkristallschicht ließ sich steuern, welches der beiden Hologramm zum Vorschein kam, wenn das Pixel mit linear polarisiertem Licht bestrahlt wurde.

Lag am Pixel keine Spannung an, so waren die stäbchenförmigen Moleküle des nematischen Flüssigkristalls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichtstrahls orientiert. Die Polarisationsrichtung des Lichts wurde daraufhin gedreht, sodass es nur diejenigen optischen Antennen zum Leuchten anregen konnte, die die „passende“ Ausrichtung hatten. Daraufhin wurde ein holografisches Bild sichtbar, das die berühmte Kings College Chapel von Cambridge zeigte. Wurde hingegen eine hinreichend starke Spannung an das Pixel angelegt, so richteten sich die Moleküle des Flüssigkristalls parallel zum einfallenden Lichtstrahl aus. In diesem Fall blieb Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes unverändert. Nun leuchteten die anderen, zuvor dunkel gebliebenen optischen Antennen. Dabei wurde ein Hologramm sichtbar, das das Logo von Cambridge zeigte. Für kleinere Spannungen wurden alle Antennen angeregt, sodass beide Hologramme zugleich sichtbar waren.

Indem man die Unterseite der Flüssigkristallpixel eines herkömmlichen holografischen Displays strukturiert und mit optischen Antennen ausstattet, könnte man diesem Display also zusätzliche Darstellungsmöglichkeiten eröffnen. So ließe sich zum Beispiel schnell zwischen unterschiedlichen Lichtintensitäten einzelner Pixel oder zwischen vorgegebenen Hologrammen hin- und herschalten.

Rainer Scharf

RK