Neue Linsen-Technologie soll Mini-Optiken deutlich verbessern

Ein internationales Forschungsteam hat ein Verfahren entwickelt, mit dem mehrfarbige Linsen deutlich kleiner, leichter und günstiger hergestellt werden können. Die neuartige Technik könnte schon bald in Drohnen, Satelliten oder Mobilgeräten zum Einsatz kommen.

Arbeit an physikalischen Grenzen

Das Konzept setzt auf sogenannte Metalinsen, die nur einen Bruchteil der Dicke eines menschlichen Haares aufweisen und dennoch Licht extrem präzise bündeln können. Bislang galt allerdings als große Hürde, dass eine einzige Schicht nur eingeschränkt verschiedene Lichtwellenlängen gleichzeitig fokussieren kann. "Wir haben schnell erkannt, dass physikalische Grenzen verhindern, dass eine einzelne Schicht alle Anforderungen erfüllt", erklärt Joshua Jordaan, einer der beteiligten Wissenschaftler. Die Lösung: ein mehrlagiger Aufbau, der mehrere Farbbereiche gleichzeitig erfasst.

Die Forscher nutzten für die Umsetzung ein spezielles Optimierungsverfahren. Ein Computeralgorithmus entwickelte winzige Strukturen, teils in Form von Kleeblättern oder Propellern, die jeweils bestimmte Resonanzen im Licht erzeugen. Diese Elemente sind nur wenige Hundert Nanometer groß, können aber in Kombination beliebige Fokusmuster erzeugen. Damit lassen sich Linsen entwerfen, die unempfindlich gegenüber der Polarisation des Lichts sind und sich leichter im industriellen Maßstab fertigen lassen. Schema der Metalinsen Ganz ohne Grenzen funktioniert die Technik jedoch nicht. Der mehrlagige Ansatz ermöglicht maximal fünf verschiedene Wellenlängen gleichzeitig, da große Strukturen für lange Wellenlängen erforderlich sind, die wiederum Beugungseffekte bei kürzeren hervorrufen können. Dennoch sehen die Entwickler enorme Einsatzmöglichkeiten.

Billiger miniaturisieren

"Unsere Linsen sind ideal für Anwendungen, bei denen Gewicht und Größe entscheidend sind", sagt Jordaan. Drohnen, Erdbeobachtungssatelliten oder tragbare Kamerasysteme könnten von der neuen Technologie profitieren. Durch ihre geringe Bauhöhe und die modulare Fertigung wären die Metalinsen nicht nur leistungsfähig, sondern auch kostengünstig und massenmarkttauglich.

Die Arbeit entstand im Rahmen des deutsch-australischen Graduiertenkollegs Meta-ACTIVE unter Leitung der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Beteiligt waren auch die Australian National University sowie das Exzellenzzentrum TMOS. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse nun im Fachjournal Optics Express.

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