Meta-Linse verwandelt infrarotes in sichtbares Licht
Konversion gelingt dank Lithiumniobat und winzigen gestempelten Strukturen.
Selbst leistungsstarke Smartphone-Kameras bestehen aus mehreren Linsen, die oft den dicksten Teil des Geräts ausmachen. Um diese Einschränkung zu überwinden, haben Forscherinnen und Forscher in den letzten zehn Jahren neue Lösungen entwickelt: Meta-Linsen. Sie funktionieren wie normale Linsen, sind aber flach. Die Linsen sind über die gesamte Oberfläche betrachtet gleich dick. Dadurch können sie etwa vierzigmal dünner sein als ein menschliches Haar. Bei Meta-Linsen lenken spezielle Strukturen auf der Oberfläche das Licht ab. Diese Strukturen sind nur wenige hundert Nanometer groß.
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Kombinieren Forschende die Nanostrukturen mit speziellen Materialien, können sie auch außergewöhnliche Eigenschaften des Lichts untersuchen. Ein Beispiel ist die nicht lineare Optik, bei der Licht von einer Farbe in eine andere umgewandelt wird. Grüne Laserpointer funktionieren nach diesem Prinzip. Ein übliches Material für solche Effekte ist Lithiumniobat. Es wird in der Telekommunikation zur Kopplung von Elektronik und Glasfasern verwendet. Rachel Grange vom Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich erforscht die Fabrikation von Nanostrukturen aus diesem Material. Nun haben sie und ihr Team dazu ein neues Verfahren entwickelt. Dieses erlaubt es ihnen, Lithiumniobat so zu bearbeiten, dass es als Meta-Linse funktioniert.
Für ihre neue Methode kombinierten die Physikerinnen chemische Verfahren mit hochpräziser Nano-Herstellungstechnik: „Die Lithiumniobat-Lösung kann im flüssigen Zustand direkt mit einem Formnegativ gestempelt werden – ähnlich wie beim Buchdruck von Gutenberg“, sagt Doktorandin Ülle-Linda Talts. Wenn die Forschenden das Material auf 600 Grad Celsius erhitzen, erhält das gestempelte Material die kristallinen Eigenschaften, welche eine Lichtumwandlung wie beim grünen Laserpointer ermöglichen. Das neue Verfahren hat mehrere Vorteile: Nanostrukturen in Lithiumniobat zu erzeugen, ist mit herkömmlichen Techniken schwierig, da dieses Material sehr stabil und hart ist. Die neue Methode hingegen eignet sich sogar für die Massenproduktion, da die Druckvorlage mehrfach verwendet werden kann, um die gewünschte Zahl an Meta-Linsen zu drucken. Das spart Zeit und Kosten im Vergleich zu bisherigen Verfahren, mit denen Lithiumniobat bearbeitet wird.
So ist es den Forschenden um Grange erstmals gelungen, Meta-Linsen aus Lithiumniobat mit präzise ausgearbeiteten Nanostrukturen herzustellen. Diese Meta-Linsen funktionieren wie normale Linsen, können aber zusätzlich Laserlicht der halben Wellenlänge erzeugen und steuern. Schicken die Forscherinnen und Forscher Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 800 Nanometern durch die Meta-Linse, tritt auf der anderen Seite sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 400 Nanometern aus, das auf einen definierten Brennpunkt fokussiert wird. Diese Lichtumwandlung ist nur möglich, weil die ultradünne Meta-Linse speziell strukturiert ist und das Material diesen nicht linearen optischen Effekt überhaupt erst ermöglicht. Der Effekt ist nicht auf eine bestimmte Laserwellenlänge beschränkt und daher in unterschiedlichsten Bereichen vielseitig einsetzbar.
Meta-Linsen oder ähnliche Nanostrukturen, die Hologramme erzeugen, könnten als Sicherheitsmerkmale auf Banknoten oder zur Echtheitsprüfung von Kunstwerken dienen. Die Strukturen sind zu klein, um sie mit sichtbarem Licht zu erkennen. Und die nicht linearen Materialeigenschaften ermöglichen eine zuverlässige Überprüfung. Forschende können auch die Umwandlung und Kontrolle von Laserlicht auch nutzen, um Infrarotlicht als sichtbares Licht mit einfachen und günstigen Kamerasensoren zu detektieren. Oder um moderne UV-Lithografiemaschinen zu vereinfachen. Diese Maschinen sind heute sehr teuer und groß, sind aber elementar für die Herstellung von Chips mit Strukturen in Nanometergröße.
Bis solche Meta-Linsen auf den Markt kommen, dürfte allerdings noch einige Zeit vergehen. Das Forschungsfeld dieser ultradünnen optischen Elemente an der Schnittstelle von Physik, Materialwissenschaften und Chemie ist noch jung. „Wir haben das Potenzial dieses Technologiefeldes erst ansatzweise erfasst und sind gespannt, welchen Einfluss dieses kostengünstige Verfahren in Zukunft haben wird“, sagt Grange.
ETHZ / JOL
