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Metastruktur erzeugt Hologramm-Videos

Nanosäulen und Korkenzieher-Licht vereinfachen die Herstellung von holografischen Videos

Hologramm-Video
Das von einer Metaoberfläche modulierte Korkenzieher-Licht ermöglicht die Anzeige holografischer Videos. © Haoran Ren, Jiatong Tian

Star Wars lässt grüßen: Holografische Videos lassen sich künftig einfacher produzieren – dank maßgeschneiderter Nanosäulen und „Korkenzieher-Licht“. Denn durch die Kombination aus einer metastrukturierten Oberfläche und Licht mit einem Bahndrehimpuls lassen sich bewegte 3D-Bilder nicht nur auf flache Oberflächen projizieren, sie sind auch einfacher digitalisierbar, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Nanotechnology“ berichten.

Ob das Holodeck aus „Star Trek“ oder der holografische Hilferuf von Prinzessin Leia aus „Star Wars“: In der Fiction sind Video-Hologramme längst Alltag. Doch in der Realität sind dafür bislang sperrige Geräte, dicke Trägermaterialien und sequenzielles Scannen von Hologrammen notwendig. Zwar ermöglichen einige dieser Video-Hologramme schon freischwebende Bilder und sogar einen Tasteindruck, sie funktionieren aber nur innerhalb spezieller Boxen und sind klein und gering aufgelöst.

Nanosäulen manipulieren das Licht

Das könnte sich nun ändern. Forscher um Haoran Ren von der Ludwig-Maximilians-Universität München haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich holografische Videos auf Basis von Metaoberflächen herstellen lassen – Flächen mit einer das Licht auf spezielle Weise brechenden Nanostruktur. Es entstehen ultradünne, flache Optiken, die die Amplitude, Phase und Polarisation des Licht so beeinflussen, dass ein holografischer Seheindruck entsteht.

Konkret besteht das Hologramm-Display aus einer Metaoberfläche mit hunderten von Nano-Polymersäulen in verschiedener Ausrichtung und Höhe. Hergestellt wird diese maßgeschneiderte Nanostruktur-Fläche einfach mithilfe eines 3D-Druckers, wie die Forscher erklären.

Geschraubtes Licht als Hologramm-Träger

Um das Hologramm-Video zu erzeugen, wird diese Oberfläche mit „Korkenzieher-Licht“ bestrahlt. Dieses Licht besitzt einen Bahndrehimpuls (Orbital Angular Momentum, OAM), der die Lichtwelle schraubenförmig verdrillt. Dieses verdrehte Licht kann dann dafür genutzt werden, Informationen wie beispielsweise Videodaten zu transportieren.

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Der große Vorteil: Diese „Lichtschrauben“ können mehr Daten kodieren und transportieren als herkömmliche Lichtsignale. Denn zusätzlich zu Wellenlänge, Polarisation und Einfallswinkel kann auch der Bahndrehimpuls Informationen kodieren. „Dieser Freiheitsgrad des Lichts weist eine unbegrenzte Anzahl spezieller Moden auf, die als unabhängige Informationskanäle fungieren können“, erklärt Ren.

Neue Anwendungen für Hologramm-Videos

Die Forscher entwickelten für ihre Holografie ein Metaoberflächen-Hologramm mit komplexer Amplituden- und Phasensteuerung. „Unsere auf dem Bahndrehimpuls basierende Holografie-Technologie kann Signale auf bis zu 200 voneinander unabhängige OAM-Kanäle aufteilen“, erklären Ren und sein Team. In einem ersten Test erzeugte die Kombination von Metaoberfläche und Korkenzieher-Licht Hologramm-Videos mit jeweils rund 100 Einzelbildern und einer Auflösung von 260 Pixeln pro Inch.

Nach Ansicht der Wissenschaftler eröffnet diese Form der Hologramm-Displays ganz neue Möglichkeiten: „Unser 3D-Laserdruck auf Metaoberflächen könnte neuartige Metaoberflächen-Designs für eine Vielzahl von Anwendungen inspirieren, in denen die derzeitige flache Optik erhebliche Auswirkungen hat“, sagt Rens Kollege Stefan Maier. Sie könnten unter anderem holografische Head-up-Displays, tragbare Geräte für Augmented Reality und Deep-Learning-Mikroskopie ermöglichen. (Nature Nanotechnology, 2020, doi: 10.1038/s41565-020-0768-4)

Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München

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