Ultradünne Linse verwandelt Infrarotlicht in sichtbares Licht

Linsen geh?ren zu den am h?ufigsten verwendeten Optiken. Objektive in Kameras beispielsweise b¨¹ndeln Licht auf einen Brennpunkt, um scharfe Fotos und Videos aufzunehmen. Wie rasant sich die Optik in den letzten Jahrzehnten entwickelt hat, zeigt der Wandel von sperrigen Fotoapparaten zu kompakten Smartphone-Kameras.

Doch selbst leistungsstarke Smartphone-Kameras bestehen aus mehreren Linsen, die oft den dicksten Teil des Ger?ts ausmachen. Dieses Minimum der Gr?sse ergibt sich aus der Funktionsweise klassischer Linsen: Die Lichtbrechung basiert auf der Kr¨¹mmung der Linse, beziehungsweise der Ver?nderung der Dicke der Linse.

Um diese Einschr?nkung zu ¨¹berwinden, haben Forscherinnen und Forscher in den letzten zehn Jahren neue L?sungen entwickelt: so genannte Meta-Linsen. Sie funktionieren wie normale Linsen, sind aber flach. Die Linsen sind ¨¹ber die gesamte Oberfl?che betrachtet gleich dick. Dadurch k?nnen sie etwa 40-mal d¨¹nner sein als ein menschliches Haar ¨C und bestehen auch nicht aus Glas.

Bei Meta-Linsen lenken spezielle Strukturen auf der Oberfl?che das Licht ab. Diese Strukturen sind nur wenige hundert Nanometer gross (ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter). Dadurch k?nnen Forschende die Linsen stark miniaturisieren.

Kombinieren Forschende die Nanostrukturen mit speziellen Materialien, k?nnen sie auch aussergew?hnliche Eigenschaften des Lichts untersuchen. Ein Beispiel ist die nichtlineare Optik, bei der Licht von einer Farbe in eine andere umgewandelt wird. Gr¨¹ne Laserpointer funktionieren nach diesem Prinzip: Infrarotlicht durchl?uft ein hochwertiges Kristallmaterial und erzeugt Licht der halben Wellenl?nge ¨C in diesem Fall gr¨¹nes Licht.

Ein ¨¹bliches Material f¨¹r solche Effekte ist Lithiumniobat. Es wird in der Telekommunikation zur Kopplung von Elektronik und Glasfasern verwendet.

Rachel Grange, Professorin am Institut f¨¹r Quantenelektronik der ETH Z¨¹rich, erforscht die Fabrikation von Nanostrukturen aus diesem Material. Nun haben sie und ihr Team dazu ein neues Verfahren entwickelt. Dieses erlaubt es ihnen, Lithiumniobat so zu bearbeiten, dass es als Meta-Linse funktioniert. Die Studie wurde soeben in der Fachzeitschrift Advanced Materials ver?ffentlicht.

F¨¹r ihre neue Methode kombinierten die Physikerinnen chemische Verfahren mit hochpr?ziser Nano-Herstellungstechnik: ?Die Lithiumniobat-L?sung kann im fl¨¹ssigen Zustand direkt mit einem Formnegativ gestempelt werden ¨C ?hnlich wie beim Buchdruck von Gutenberg?, erkl?rt Ko-Erstautorin ?lle-Linda Talts, Doktorandin bei Rachel Grange. Wenn die Forscher:innen das Material auf 600?¡ãC erhitzen, erh?lt das gestempelte Material die kristallinen Eigenschaften, welche eine Lichtumwandlung wie beim gr¨¹nen Laserpointer erm?glichen.

Das neue Verfahren hat mehrere Vorteile: Nanostrukturen in Lithiumniobat zu erzeugen, ist mit herk?mmlichen Techniken schwierig, da dieses Material sehr stabil und hart ist. Die neue Methode hingegen eignet sich sogar f¨¹r die Massenproduktion, da die Druckvorlage mehrfach verwendet werden kann, um die gew¨¹nschte Zahl an Meta-Linsen zu drucken. Das spart Zeit und Kosten im Vergleich zu bisherigen Verfahren, mit denen Lithiumniobat bearbeitet wird.

Ultrad¨¹nne-Linsen erzeugen neues Licht

So ist es den ETH-Forschenden um Grange mit dieser Technik erstmals gelungen, Meta-Linsen aus Lithiumniobat mit pr?zise ausgearbeiteten Nanostrukturen herzustellen. Diese Meta-Linsen funktionieren wie normale Linsen, k?nnen aber zus?tzlich Laserlicht der halben Wellenl?nge erzeugen und steuern. Schicken die Forscher:innen Infrarotlicht mit einer Wellenl?nge von 800 Nanometern durch die Meta-Linse, tritt auf der anderen Seite sichtbares Licht mit einer Wellenl?nge von 400 Nanometern aus, das auf einen definierten Brennpunkt fokussiert wird.

Diese ?Magie? der Lichtumwandlung, wie Rachel Grange es nennt, ist nur m?glich, weil die ultrad¨¹nne Meta-Linse speziell strukturiert ist und das Material diesen nichtlinearen optischen Effekt ¨¹berhaupt erst erm?glicht. Der Effekt ist nicht auf eine bestimmte Laserwellenl?nge beschr?nkt und daher in unterschiedlichsten Bereichen vielseitig einsetzbar.

Von f?lschungssicheren Banknoten bis zur neuen Mikroskopie

Meta-Linsen oder ?hnliche Nanostrukturen, die Hologramme erzeugen, k?nnten als Sicherheitsmerkmale auf Banknoten oder zur Echtheitspr¨¹fung von Kunstwerken dienen. Die Strukturen sind zu klein, um sie mit sichtbarem Licht zu erkennen. Und die nichtlinearen Materialeigenschaften erm?glichen eine zuverl?ssige ?berpr¨¹fung.

Forschende k?nnen auch die Umwandlung und Kontrolle von Laserlicht auch nutzen, um Infrarotlicht als sichtbares Licht mit einfachen und g¨¹nstigen Kamerasensoren zu detektieren. Oder um moderne UV-Lithografiemaschinen zu vereinfachen. Diese Maschinen sind heute sehr teuer und gross, sind aber elementar f¨¹r die Herstellung von Chips mit Strukturen in Nanometergr?sse.

Bis solche Meta-Linsen auf den Markt kommen, d¨¹rfte allerdings noch einige Zeit vergehen. Das Forschungsfeld dieser ultrad¨¹nnen optischen Elemente an der Schnittstelle von Physik, Materialwissenschaften und Chemie ist noch jung. ?Wir haben das Potenzial dieses Technologiefeldes erst ansatzweise erfasst und sind gespannt, welchen Einfluss dieses kosteng¨¹nstige Verfahren in Zukunft haben wird?, betont Grange.

Die Studie wurde teilweise durch einen SNF Consolidator Grant an Rachel Grange finanziert.