Forschung -

Flache Linsen fokussieren extrem mit Nanoelementen

Einfache, flache Linsen mit Nanostrukturen, die herkömmliche Bulk-Optiken übertreffen, wurden von A*STAR-Wissenschaftlern entwickelt.

Optische Linsen mit hoher numerischer Apertur bieten eine sehr hohe Auflösung und eignen sich besonders für Anwendungen mit geringer Lichtintensität, wie z. B. Ein-Photon-Optiken.

Die numerische Apertur ist ein Maß für den konischen Lichtwinkel, der von der Linse erfasst werden kann - und umgekehrt, wie eng sich ein Lichtstrahl fokussieren lässt.

Je größer die numerische Apertur, desto höher ist die Auflösung und desto näher kann sich das Objektiv zum abzubildenden Objekt befinden. Wenn sich der Erfassungswinkel und damit sich die vom Objekt gesammelte Lichtmenge dem theoretischen Maximum nähert, nimmt die numerische Apertur zu und nähert sich dem Wert von Eins, dem fundamentalen Maximum für ein Objektiv in Luft.

Allerdings können Systeme mit hoher numerischer Apertur sperrig, komplex und teuer sein. Und herkömmliche Glasoptiken erreichen selten eine numerische Apertur über 0,95.

Wissenschaftler des 'A*STAR Data Storage Institute' haben nunmehr ein einfaches flaches Objektiv mit einer numerischen Apertur von mehr als 0,99 entwickelt.

"Frühere Versuche, flache Objektive mit hoher numerischer Apertur herzustellen, endeten mit Geräten, die an ihren Rändern sehr ineffizient waren, wo sich das Licht unter sehr großen Winkeln beugt", erklärte der A*STAR-Wissenschaftler Ramón Paniagua-Domínguez. "Wir haben eine neue Methode vorgeschlagen, um diese Einschränkung mit Hilfe von Nanoantennen zu überwinden."

Die von Paniagua-Domínguez und seinen Kollegen geschaffene 'Metalens' besteht aus Arrays mit Siliziumscheiben mit verschiedenen Durchmessern auf einem Substrat, wobei jeder Bereich das Licht mit einem bestimmten Winkel lenken soll.

Alle Bereiche wurden so gestaltet, dass Licht in einen bestimmten Punkt - den Fokus der Linse - gelenkt wird. Der Bereich, der für die hohe numerische Apertur der Linse verantwortlich ist, besteht aus Nano-Siliziumzylinderpaaren, eines größer als das andere, die wie Antennen für sichtbares Licht wirken.

Die Verwendung von Silizium statt eines Metalls reduziert die Verluste und macht das Konzept über einen weiten Wellenlängenbereich anwendbar.

Die Abmessungen der Nanoantennen - der Scheibendurchmesser, die Scheibenabstand und die Anordnung des Arrays - können an den Wellenlängenbereich der Metalinse und die jeweils spezifische Anwendung angepasst werden.

Beispielsweise lenken Scheibendurchmesser von 190 und 150 nm das einfallende rote Licht in einem Winkel von 82 Grad um. Dadurch konnte das Team mit ihrer Metalinse eine numerische Apertur von 0,99 erreichen, was sie sehr interessant für Anwendungen mit hoher Auflösung macht.

"Wir erforschen auch noch komplexere Geometrien, um die Effizienz der Linse zu maximieren", sagte Paniagua-Domínguez. "Außerdem suchen wir noch nach anderen Materialien, um den Arbeitsfrequenzbereich der Linse zu erweitern."

Der Forschungsbericht erschien mit dem Titel "A metalens with a near-unity numerical aperture" in 'Nano Letters'.

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