Infrarotlicht in sichtbares Licht Eine ultradünne Meta-Linse für die Optoelektronik

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Physiker der ETH Zürich haben eine spezielle Linse entwickelt, die die Wellenlänge eintretenden Laserlichts halbieren kann. Damit bricht sie das Licht nicht nur, sondern formt es aktiv um.

Infrarotlicht wird in der Optoelektronik in Sensoren und Kommunikationssystemen eingesetzt, ermöglicht kontaktlose Temperaturmessung und ist Grundlage für viele bildgebende Verfahren. Doch bisher waren Entwickler optoelektronischer Systeme auf teilweise komplexe Systeme angewiesen, um infrarote Strahlung effektiv nutzen und sichtbar machen zu können. Eine neue Entdeckung der ETH Zürich könnte das grundlegend verändern. Sie haben eine Meta-Linse entwickelt, die Licht nicht bricht, sondern aktiv umformt und unsichtbares Infrarotlicht direkt sichtbar macht.

Nichtlineare optische Frequenzverdopplung

Im Gegensatz zu konventionellen Linsen, die Licht mittels Formveränderung und physikalischer Brechung lenken, ist die Meta-Linse komplett planar aufgebaut und beeindruckend dünn. Sie misst gerade einmal 10 µm, etwa 40-mal dünner als ein menschliches Haar. Der zentrale technologische Durchbruch liegt darin, dass die eintreffenden Infrarot-Photonen mittels sogenannter nichtlinearer Frequenzverdopplung exakt in den sichtbaren Bereich transformiert werden: Die Wellenlänge wird halbiert und Infrarotstrahlung direkt sichtbar gemacht.

Eine entscheidende Rolle bei diesem Prozess spielen die exakt definierten Nanostrukturen auf der Oberfläche der Meta-Linse. Diese sind in eine dünne Schicht Lithiumniobat eingebracht, eines etablierten Lithium-Metalloxids, das bereits breite Verwendung in Optik und Telekommunikation findet. Durch die sorgfältige Anbringung dieser nur wenige hundert Nanometer umfassenden Strukturen mittels präziser Lithografietechniken kann die Frequenzverdopplung gezielt optimiert und die Lichtumwandlung kontrolliert werden.

Was die Linse für Entwickler bietet

Ein wesentliches Kriterium für die Praxisrelevanz der Linse ist ihre Effizienz: Rund ein Prozent des auftreffenden Infrarotlichts konnten die Forscher bereits erfolgreich in sichtbares Licht umwandeln. Dieser Wert ist für Meta-Linsen vielversprechend und lässt sich durch Optimierungen noch steigern. Die exakte Ausgestaltung der Nanostrukturen sorgt zusätzlich für eine präzise Kontrolle bezüglich Strahlformung und Phasenverlauf.

Mit der vorgestellten Entwicklung lassen sich verschiedene Anwendungen in der Optoelektronik realisieren: Von ultrakompakten Kameras in Smartphones über hochempfindliche Infrarotsensoren für Sicherheit und medizinische Diagnostik bis hin zu fälschungssicheren Markierungen auf Banknoten und Ausweisdokumenten erschließen sich vielfältige neue Einsatzmöglichkeiten.

Für Entwickler interessant:

• Dünne Ausführung ermöglicht minimalistische Systemintegrationen.

• Effiziente, präzise kontrollierbare Lichtumwandlung eröffnet neue Entwicklungsfelder.

• Vereinfachung bei der Implementierung komplexer optischer Komponenten.

• Niedrige Produktionskomplexität durch etablierte Herstellungstechniken.

• Erhöhung der Funktionalität und Wertigkeit optoelektronischer Produkte.

Bis solche Meta-Linsen auf den Markt kommen, dürfte allerdings noch einige Zeit vergehen. Das Forschungsfeld dieser ultradünnen 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 kostengünstige Verfahren in Zukunft haben wird“, sagt Rachel Grange, Professorin am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich. (heh)

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