Ob in Ferngläsern, Brillen oder in optischen Mikroskopen: Wenn es darum geht, kleine Details oder weit entfernte Objekte zu vergrößern, kommen meist gewölbte Linsen ins Spiel. Je stärker die Krümmung und je höher der Brechungsindex des eingesetzten Linsenmaterials, desto stärker ist die erreichte Vergrößerung. Um Verzerrungen zu vermeiden, werden zudem oft mehrere Linsen miteinander kombiniert. Das jedoch macht Teleobjektive oder Mikroskope oft sehr unhandlich und schwer. Doch es gibt Alternativen: Neuartige Materialien mit besonders hohem Brechungsindex, aber auch Feststoffe mit einer raffiniert nanostrukturierten Oberfläche können das Licht auf ähnliche Weise manipulieren wie es die herkömmlichen Linsen tun – und das, obwohl sie miniaturisiert und flach sind. “Einige optische Komponenten von Linsen, über Hologramme und optische Gitter bis hin zu Polarisationsfiltern wurden bereits auf der Grundlage solcher siliziumbasierten und plasmonischen Meta-Oberflächen vorgestellt”, erklären Federico Capasso und seine Kollegen von der Harvard University. Bisher allerdings hatten diese neuartigen Mikro- und Nanolinsen einen Nachteil: Sie funktionierten nicht über das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts hinweg effektiv.
Nanosäulen statt gekrümmtem Schliff
Dieses Problem haben die Forscher nun mit Hilfe einer neuen, flachen Nanolinse überwunden. Ihre Metalinse besteht aus Titandioxid, einem Material, das als Nanopartikel in unzähligen Alltagsprodukten bereits eingesetzt wird – von der Sonnenmilch über Farbe bis hin zu Nanobeschichtungen auf Lebensmitteln und Verpackungen. Für die Optik hat dieses Material den Vorteil eines hohen Brechungsindexes – es kann Lichtstrahlen gut fokussieren. “Wir benötigten ein Material, das Licht stark beeinflusst und zudem bereits in der Industrie gebräuchlich ist, damit wir diese Technologie auch in größerem Maßstab umsetzen können”, erklärt Koautor Robert Devlin. Aus dem Titandioxid erzeugten die Forscher auf einem zwei Millimeter großen Glasträger mittels Lithografie winzige rechteckige Säulchen von 600 Nanometern Höhe und leicht unterschiedlicher Dicke. Die Säulchen bilden eine spezifische Nanostruktur, die als Lichtwellenleiter fungiert und so das einfallende Licht stark bündelt und fokussiert. Dadurch entsteht eine flache Linse im Nanomaßstab, die je nach Säulendicke Licht aus dem gesamten sichtbaren Spektrum fokussieren kann.
Um die Auflösung und Vergrößerung der Linse zu testen, bildeten die Forscher mit ihr eine spezielle Testskala ab, auf der parallele Linien in immer schmaler werdenden Abständen abgebildet sind. Dabei zeigte sich: Die Testlinse vergrößerte rund 170-fach bei einer Auflösung von 0,8. Das bedeutet, dass durch diese Linse noch Nanostrukturen von nur 400 Nanometern Abstand scharf abgebildet werden können – das ist kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, wie die Wissenschaftler betonen. “Die Qualität der Abbildung war dabei vergleichbar mit der gängiger kommerzieller Objektive”, so Capasso und seine Kollegen. Doch im Gegensatz zu diesen ist die neue Metalinse nicht nur erheblich kleiner und leichter, sie ist auch einfach herzustellen. “Normale Linsen müssen präzise poliert werden, jede Abweichung in der Krümmung, jeder Fehler beim Schliff beeinträchtigt die Leistung der Linse”, erklärt Koautor Wei Ting Chen. “Unsere Linse kann dagegen in einem einzige Schritt hergestellt werden – nur eine Schicht der Lithografie und man erhält eine Hochleistungslinse mit allem Drum und Dran.”
