Flacher Retroreflektor aus Metamaterial

Dünne Schichten aus optischem Meta­material oder „Metaflächen“ können die Phase des einfallenden Lichtes nahezu beliebig verändern, sodass man mit ihnen neuartige optische System realisieren kann. Aus zwei über­einander­liegenden Meta­flächen haben Forscher jetzt einen Retro­reflektor hergestellt, der wie ein Katzen­auge das einfallende Licht in die Einfalls­richtung zurückwirft.

Die Metaflächen, die Andrei Faraon und seine Mitarbeiter am Caltech in Pasadena verwendet haben, zeigen einen bienen­waben­förmigen Aufbau mit einer Gitterperiode von 450 Nanometern. Jede Wabe hat einen Kern von variabler Dicke aus amorphem Silizium, der von einer Kunststoff­füllung umgeben ist. Das Ganze sitzt auf einer Unterlage aus Silikatglas.

Die beiden unterschiedlich strukturierten Metaflächen änderten die Phase einer einfallenden Licht­welle (mit 850 Nano­meter Wellen­länge) und lenkten die Welle dadurch in ganz bestimmter Weise ab. Je nach dem Einfalls­winkel bündelte die erste Metafläche das Licht auf einen bestimmten Bereich der zweiten Meta­schicht. Dadurch fand eine räumliche Fourier-Transformation statt.

Die zweite Metafläche war eine „Gradienten-Metafläche“. Sie änderte die Komponente k_p des Licht­wellen­vektors k, die parallel zur Metafläche lag, um ein konstantes K, sodass sie zu k_p – K wurde. Hinter der Metafläche befand sich eine Gold­schicht, die das Licht reflektierte, sodass die k-Komponente k_s, die senkrecht zur Metafläche lag, ihr Vorzeichen umkehrte. Nach erneutem Passieren der Metafläche wurde die Parallel­komponente des Wellen­vektors k zu k_p – 2K.

Für Licht aus einer speziellen Einfalls­richtung, dessen Parallel­komponente k_p einen mit K über­einstimmenden Wert hatte, kehrte die zweite Metafläche im Zusammen­wirken mit der Gold­schicht offenbar den gesamten Wellenvektor k um, sodass das Licht retro­reflektiert wurde. Für andere Einfalls­winkel war der Reflektor jedoch nicht „retro“, da er dieses Licht nicht in die Einfalls­richtung zurückwarf.

Doch Andrei Faraon und seine Kollegen konnten dieses Problem lösen. Mit der ersten Metafläche lenkten sie das Licht, das aus einer bestimmten Richtung kam und die Parallel­komponente k_p hatte, auf einen bestimmten Bereich der zweiten Metafläche. Dieser Bereich war so strukturiert, dass er die Parallel­komponente um K = k_p veränderte und somit – zusammen mit dem Goldspiegel – das Licht retro­reflektierte.

Licht aus einer anderen Einfallsrichtung wurde hingegen auf einen anderen Bereich der zweiten Metafläche gelenkt, der wiederum so strukturiert war, dass er dieses Licht ebenfalls retro­reflektierte. Nachdem das zurückgeworfene Licht auch wieder die erste Metafläche passiert hatte, die es zurück­transformierte, war die ursprüngliche Lichtwelle wieder hergestellt. Allerdings war nun der Wellenvektor negativ, sodass die Retro­reflexion abgeschlossen war.

Die Forscher haben ihren Retroreflektor eingehend getestet. Demnach betrug seine Retro­reflektivität R für kleine Einfallswinkel zirka 80 Prozent, sie nahm jedoch mit zunehmendem Einfallswinkel ab und lag für 50 Grad unter 20 Prozent. Für transversal elektrisch (TE) polarisierte Wellen war R deutlich höher als für transversal magnetisch (TM) polarisierte. Für Einfallswinkel bis 20 Grad hatte der Retro­reflektor gute Abbildungs­eigenschaften. Wurde ein mikroskopisch strukturiertes Bild auf ihn projiziert, so warf er es getreu zurück, wobei noch Details von unter 10 Mikrometern zu erkennen waren.

Der etwa 500 Mikrometer dicke Retro­reflektor lässt sich in planare optische Detektoren und Modulatoren integrieren. Indem man mit ihm einen einfallenden Lichtstrahl moduliert und zur Lichtquelle zurückwirft, könnte man den Retro­reflektor zur optischen Daten­übertragung durch den leeren Raum nutzen, wobei nur wenig Leistung aufgebracht werden müsste. Die Arbeit der Caltech-Forscher zeigt, dass über­einander liegende Meta­flächen völlig neue Möglichkeiten für die Optik eröffnen.

Rainer Scharf

DE