Herkömmliche gewölbte Linsen, die Licht durch Brechung in Glas oder Kunststoff lenken, sind oft sperrig, schwer und bieten nur begrenzte Kontrolle über Lichtwellen. Metaoberflächen dagegen sind flach und bestehen aus einer Anordnung winziger Strukturen, die als Metaatome bezeichnet werden. Metaatome beeinflussen Licht auf Subwellenlängen-Skalen und ermöglichen so eine hochpräzise Steuerung von Licht, etwa bezüglich der Phase, Amplitude und Polarisation.
„Mit Metaoberflächen können wir also die zeitliche Verschiebung, Intensität und Schwingungsrichtung von Lichtwellen gezielt beeinflussen“, erklärt Dr. Maryna Leonidivna Meretska, Gruppenleiterin am Institut für Nanotechnologie des KIT. „Durch ihre Fähigkeit zur Multiplex-Steuerung, also der gleichzeitigen und gezielten Beeinflussung unterschiedlicher Parameter, kann eine einzelne Metaoberfläche mehrere optische Komponenten ersetzen. Dadurch lässt sich die Größe des optischen Systems reduzieren, ohne dessen Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.“ Auch die Produktion werde einfacher: „Hergestellt werden sie mit fortschrittlichen Lithographie- und Ätztechnologien aus der Halbleiterindustrie, was eine skalierbare Produktion ermöglicht“, so Maretska.
Metagitter mit vierfacher Effizienzsteigerung
Auf der Hannover Messe präsentieren Meretska und ihr Team ein optisches Beugungs-Metagitter, das mit speziellen Fertigungsgeräten des KIT hergestellt wurde. Beugungsgitter sind essenzielle optische Bauteile für verschiedene industrielle Anwendungen, wie Spektroskopie, Telekommunikation und Lasersysteme. Üblicherweise nimmt die Effizienz von Beugungsgittern stark ab, wenn der Einfallswinkel des Lichts zunimmt. Das am KIT entwickelte Metagitter zeigt jedoch eine vierfach höhere Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. „Unser Metagitter ermöglicht eine bisher unerreichte Kontrolle über Licht unter herausfordernden Bedingungen. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt für zukünftige Anwendungen dar, die eine präzise Lichtsteuerung erfordern“, sagt Meretska. Nachdem die Funktionalität mit dem Prototyp belegt wurde, entwickelt die Forschungsgruppe nun gezielte optische Lösungen für verschiedene industrielle Anwendungen.
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
Aufgrund ihrer flachen Struktur eignen sich Metaoptiken besonders für Kameras, Sensoren und Augmented-Reality-Displays, da sie eine verbesserte Funktionalität bieten und gleichzeitig die Größe optischer Systeme reduzieren können. Weitere potenzielle Anwendungen sind Materialsortierung und Qualitätskontrolle, medizinische Bildgebung, Mikroskopie und Solarzellen. Darüber hinaus könnten Robotik und autonomes Fahren, die auf Objekterkennung angewiesen sind, von den technologischen Fortschritten der Metaoptiken erheblich profitieren.
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