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Meta-Linsen und Licht-Konverter

Optische Anwendungen von Metamaterialien

Die Fähigkeit von Metamaterialien, Strahlung und insbesondere Licht auf zuvor unmöglich geglaubte Weise zu manipulieren, eröffnet ganz neue Möglichkeiten der Anwendung. Vor allem in der Optik werden diese Materialien inzwischen genutzt, um neuartige Linsen und Displays für Kameras, Mikroskope und 3D-Projektionen zu entwickeln.

Die Meta-Linse der Mikrokamera ist weniger als einen halben Millimeter klein. © Tseng et al./ Princeton University

Kamera in Salzkorngröße

Ein Beispiel für eine optische Anwendung auf Basis eines Metamaterials ist eine Kameralinse im Mikromaßstab: Die Meta-Linse ist nur einen halben Millimeter groß, hat aber eine Auflösung und Lichtstärke, die mit einer klassischen, 500.000-fach größeren Kameralinse mithalten kann. „Keine der bisher vorgestellten Meta-Optiken bietet eine vergleichbare Kombination aus Bildqualität, niedriger Blendenzahl und großem Sichtfeld“, konstatiert Ethan Tseng von der Princeton University. Die neue Meta-Linse besitzt ihren Angaben zufolge eine Blendenzahl von 2, was selbst für eine herkömmliche Spiegelreflexkamera im qualitativ oberen Bereich ist.

Herzstück der winzigen Meta-Linse ist ihre nanostrukturierte Oberfläche. Sie besteht aus 1,6 Millionen Siliziumnitrid-Säulchen, die jeweils rund 100 bis 290 Nanometer dick sind. Weil jedes Stäbchen abhängig von seiner Position auf der Linse eine speziell angepasste Form und Ausrichtung hat, wirkt diese Struktur wie eine Art optischer Antenne. Ein spezieller Algorithmus wertet dann die auf dem Kamerachip eingehenden Signale aus und konstruiert daraus das fertige Bild. Einsatzmöglichkeiten für die Mini-Linse sehen die Wissenschaftler unter anderem bei der Endoskopie oder in Hirnscans.

Meta-Kontaktlinse gegen Rot-Grün-Schwäche

Noch einen Schritt weiter geht eine Kontaktlinse für Menschen mit Rot-Grün-Sehschwäche: Ihr integriertes Metamaterial spreizt die Farbanteile des Lichts so auf, dass die Photorezeptoren im Auge sie besser unterscheiden können. Dies gleicht die Fehlfunktion dieser Sehsinneszellen bei den Betroffenen aus, durch die die Rezeptoren für Grün auch auf rote Lichtanteile reagieren. Dafür gibt es schon heute Brillen mit speziellen Filtermaterialien, das Metamaterial macht es jedoch möglich, diese korrigierende Farbaufspreizung sogar in eine Kontaktlinse zu integrieren.

Möglich wird dies durch ovale Gold-Ellipsen im Nanoformat, deren Anordnung die spezifische Brechung nur der gewünschten Farbanteile des Lichts bewirkt. „Die nanostrukturierte Kontaktlinse verschiebt die inkorrekt wahrgenommenen Farben näher zur Originalfarbwirkung“, berichten die Forscher. „Der Fehler der Farbsichtigkeit kann dadurch bis um einen Faktor von zehn korrigiert werden.“

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Konverterlinse
Die Konverterlinse wandelt UV-Licht von 394 Nanometer Wellenlänge in fokussiertes Vakuum-UV mit 197 Nanometer Wellenlänge um. © M. Semmlinger/Rice University

Nanostruktur als Licht-Konverter

Durch ihren Einfluss auf die Phase des Lichts können einige Meta-Linsen sogar als eine Art Licht-Trafo fungieren. Sie können energieärmeres langwelliges Licht in kurzwelligeres Licht umwandeln. Ein Beispiel dafür im Mai 2022 Forschende um Catherine Arndt von der Rice University in Texas demonstriert. Sie haben ein Metamaterial entwickelt, das „normales“ ultraviolettes Licht mit 394 Nanometer Wellenlänge in konzentriertes Vakuum-UV-Licht mit nur noch 197 Nanometer Wellenlänge umwandelt.

Das Vakuum-UV-Licht wird unter anderem bei der Halbleiterherstellung, in der Photochemie und in der Materialforschung benötigt. „Konventionelle Materialien können normalerweise aber kein Vakuum-UV erzeugen“, erklärt Arndt. „Man braucht dafür spezielle nichtlineare Kristalle, die groß, teuer und oft exportbeschränkt sind. Dadurch ist Vakuum-UV ziemlich teuer.“ Gängige Anlagen dafür sind so groß wie Tiefkühltruhen und kosten zehntausende Euro.

Doch dank Metamaterialien geht es auch anders: Arndt und ihr Team haben eine mikroskopisch kleine Meta-Linse entwickelt, die nur 45 Mikrometer dick ist und aus durchsichtigem Zinkoxid besteht. Zum Metamaterial wird sie, weil in ihre Vorderseite konzentrische Kreise aus winzigen Dreiecken eingeätzt sind. Diese Struktur verhält sich wie ein harmonischer Oszillator und führt zu einem Resonanzeffekt, durch den die Frequenz des einfallenden Lichts verdoppelt wird – der UV-Strahl wird kurzwelliger. Die neuartige Meta-Linse wirkt dadurch als Frequenzverdoppler und fokussiert den Strahl gleichzeitig ohne Energieverlust. Diese Technik eröffnet damit neue Möglichkeiten, Vakuum-UV-Licht ohne große und teure Anlagen zu erzeugen.

Hologramm-Videos aus Korkenzieher-Licht

Die Fähigkeit von Metamaterialien, grundlegende Merkmale des Lichts zu manipulieren, lässt sich auch für die Erzeugung von Hologrammen und sogar Hologramm-Videos nutzen. Ein Beispiel dafür haben Haoran Ren von der Ludwig-Maximilians-Universität München kürzlich vorgestellt. Ihr neuartiges Hologramm-Display besteht aus einer Metaoberfläche mit hunderten von Nano-Polymersäulen in verschiedener Ausrichtung und Höhe. Diese Struktur mit „Korkenzieher“-Licht bestrahlt, dessen Bahndrehimpuls schraubenförmig gedreht ist und die Videodaten kodiert. Die Säulchen teilen diese Lichtsignale auf eine spezielle Weise auf, die Hologramme entstehen lässt.

Der große Vorteil: Durch diese Metaoberfläche lässt sich die normalerweise sperrige Apparatur für die Hologramm-Erzeugung stark verkleinern. Dank ihrer flachen Form könnte diese Technik daher unter anderem holografische Head-up-Displays, mobile Augmented-Reality-Anwendungen und Deep-Learning-Mikroskopie ermöglichen, wie das Team erklärt. In einem ersten Test erzeugte die Kombination von Metamaterial und Korkenzieher-Licht bereits Hologramm-Videos mit jeweils rund 100 Einzelbildern und einer Auflösung von 260 Pixeln pro Inch.

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Metamaterialien
Exotische Manipulation von Strahlung und Schall

"Unmögliche" Brechung
Was sind Metamaterialien?

Meta-Linsen und Licht-Konverter
Optische Anwendungen von Metamaterialien

Auf dem Weg zur Tarnkappe
Wie Metamaterialien Objekte unsichtbar machen

Mehr als nur Licht
Wie Metamaterialien Radiowellen und sogar Schall manipulieren

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