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Mikrolinse zeigt mikroskopisch Kleines

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Clou der neuen Metalinse ist die Nanostruktur aus Titandioxid-Säulchen auf ihrer Oberfläche (Grafik: Peter Allen/ Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)
Bisher erzielen Kameraobjektive, Mikroskope oder andere optische Instrumente ihre Vergrößerung und Auflösung meist mit Hilfe dicker, gewölbter Linsen. Doch es geht auch anders, wie US-Forscher nun mit einer neuartigen, flachen Nanolinse belegen. Sie nutzt eine raffinierte Nanostruktur, um das sichtbare Licht zu brechen und so stark zu fokussieren, dass noch Objekte von 400 Nanometern Abstand sauber getrennt abgebildet werden. Nach Ansicht der Forscher könnte diese ultraleichte und dünne „Meta-Linse“ künftige VR-Brillen, Kameras, Displays und Mikroskop enorm verbessern.

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.“

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.

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Quelle:

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar
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