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.”
Anwendungen für die neue Metalinse sehen die Wissenschaftler in vielen Bereichen: “Diese Technologie ist potenziell revolutionär, weil sie im sichtbaren Spektrum arbeitet und daher in allen Arten von Geräten und Instrumenten eingesetzt werden kann – von Mikroskopen über Kameras bis hin zu Displays”, erklärt Capasso. Besonders vielversprechend sei zudem der Einsatz in Anwendungen der Virtual Reality oder Augmented Reality. “Keiner möchte stundenlang einen schweren VR-Helm tragen”, sagt sein Kollege Mohammadreza Khorasaninejad. “Diese Technologie senkt Gewicht und Volumen und schrumpft die Linsen auf eine Dünne geringer als die eines Blatts Papier. Stellen Sie sich die Möglichkeiten für wearable Optics vor!” Ein weiterer Vorteil der neuen Linse sind ihre vergleichsweise geringen Herstellungskosten, wie die Forscher erklären. Weil dies mittels Lithografie geschieht und damit einem in der Computertechnik und Nanotechnologie längst etablierten Verfahren, sei die Linse ohne großen Aufwand auch großtechnisch produzierbar. Die Wissenschaftler haben ihre neue Linsentechnologie bereits zum Patent angemeldet und wollen nun ihre Kommerzialisierung vorantreiben.
