Metalinse fokussiert sichtbares Lichtspektrum in einem Punkt

Metalinsen — ebene Oberflächen, die mit Nanostrukturen Licht fokussieren, versprechen die Optik zu revolutionieren. Sie könnten die derzeit gebräuchlichen, massigen, gewölbten Linsen in optischen Geräten ersetzen und beispielsweise kleiner VR-Headsets ermöglichen. Doch waren diese Metalinsen bisher limitiert, was die korrekte Fokussierung des Lichtspektrums betrifft.

Wissenschaftler von der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben nun die erste Einzellinse entwickelt, die das gesamte sichtbare Spektrum des Lichts inklusive weißem Licht im selben Punkt und mit hoher Auflösung fokussieren kann. Das gelang bisher nur in konventionellen  Objektiven mit mehreren hintereinander gereihten Linsen.

Das Fokussieren des gesamten sichtbaren Lichtspektrums erweist sich deshalb als so schwierig, weil sich jede Wellenlänge in jeweils anderem Tempo durch Materialien bewegt. Rot wird sich beispielsweise schneller das Glas durchqueren als Blau und so werden die beiden Farben denselben Ort zu verschiedenen Zeiten erreichen, was in verschiedenen Fokussen resultiert. Dieses Phänomen ist auch als chromatische Aberration bekannt.

Daher nutzen Kameras und optische Instrumente mehrere gewölbte Linsen unterschiedlicher Dicke und Materialien, um diese Bildfehler zu korrigieren. Diese Tatsache macht die Geräte größer, als sie eigentlich sein müssten.

“Metalinsen haben Vorteile gegenüber traditionellen Linsen,” sagt  Federico Capasso, Professor of Applied Physics und Senior Author der Forschungsarbeit. “Sie sind dünn, leicht zu fertigen und kostengünstig. Dieser Durchbruch macht diese Vorteile über das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts nutzbar. Das ist der nächste große Schritt.“

Die von Capasso und seinen Mitarbeitern entwickelten Linsen weisen eine Reihen von Titandioxid-Zähnchen (Nanofins) auf, um die Wellenlängen gleichermaßen zu fokussieren und die chromatischen Aberrationen zu beseitigen. Frühere Studien konnten zeigen, dass sich unterschiedliche Wellenlängen schon fokussieren ließen, aber bei unterschiedlichen Entfernungen durch die Optimierung der Form, Breite, Distanz und Höhe der Nanofins. In dieser neuen Arbeit haben die Entwickler Einheiten von paarweise angeordneten Nanofins geschaffen, welche das Tempo unterschiedlicher Wellenlängen simultan steuern.  Sie steuern den Brechnungsindex auf der Meta-Oberfläche und sind so abgestimmt, dass sie unterschiedliche Zeitverzögerungen für das die unterschiedlichen Nanofins passierende Licht herbeiführen und somit gewährleisten, dass alle Wellenlängen den Brennpunkt gleichzeitig erreichen.

Als nächsten Schritt wollen die Forscher die Lines auf einen Zentimeter Durchmesser vergrößern. Das würde eine Reihe von neuen Möglichkeiten eröffnen, etwa den Einsatz in der VR und AR.

Co-Autoren des Papers sind: Vyshakh Sanjeev, Mohammadreza Khorasaninejad, Zhujun Shi und Eric Lee.

Bild: Diese flache Metalinse kann als erste Einzellinse das gesamte sichtbare Spektrum des Lichts im selben Punkt und in hoher Auflösung fokussieren.  (Image courtesy of Jared Sisler/Harvard SEAS)

Die Arbeit findet sich unter: https://www.nature.com/articles/s41565-017-0034-6

0
RSS Feed

Hat Ihnen der Artikel gefallen?
Abonnieren Sie doch unseren Newsletter und verpassen Sie keinen Artikel mehr.

Mit einem * gekennzeichnete Felder sind Pflichtfelder!

Neuen Kommentar schreiben

Entdecken Sie die Printmagazine des WIN-Verlags