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Breitbandige achromatische Meta-Linsen fokussieren das Licht unabhängig von der Polarisation

Neues Design verdoppelt die Effizienz der Meta-Linsen

23.01.2019

Capasso Lab/Harvard SEAS

Diese neu entwickelten Nanostrukturen auf der Oberfläche einer Meta-Linse können das Licht unabhängig von seiner Polarisation fokussieren und verdoppeln so den Wirkungsgrad der Linse.

Wir leben in einer polarisierten Welt. Nein, wir reden nicht über Politik - wir reden über Licht. Ein Großteil des Lichts, das wir sehen und verwenden, ist teilweise polarisiert, d.h. sein elektrisches Feld schwingt in bestimmte Richtungen. Objektive, die für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind, von Telefonkameras über Mikroskope bis hin zu Sensoren, müssen in der Lage sein, Licht unabhängig von seiner Polarisation zu fokussieren.

Die Forscher glaubten, dass symmetrische Nanostrukturen wie kreisförmige Säulen wesentliche Bausteine für die Entwicklung photonischer Bauelemente sind, die nicht polarisationsempfindlich sind. Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben nun einen polarisationsunempfindlichen Meta-Linsen entwickelt, der aus nicht-symmetrischen Nanofinnen besteht, die Licht ohne Aberrationen achromatisch über das sichtbare Spektrum fokussieren können. Diese flache Linse kann für alles verwendet werden, von virtuellen oder Augmented-Reality-Headsets bis hin zu Mikroskopie, Lithographie, Sensoren und Displays.

"Indem wir diese Linsenpolarisation unempfindlich gemacht haben, haben wir den Wirkungsgrad der Meta-Linsen gegenüber früheren Iterationen verdoppelt", sagt Wei Ting Chen, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei SEAS und Erstautor der Arbeit. "Dies ist die erste Veröffentlichung, das sowohl achromatische als auch polarisationsunempfindliche Fokussierung im sichtbaren Bereich zeigt."

Die Forschung wurde von Federico Capasso, dem Robert L. Wallace Professor für Angewandte Physik und Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering am SEAS geleitet.

In früheren Forschungen haben Capasso, Chen und ihr Team gezeigt, dass Arrays von Titandioxid-Nanofinnen die Wellenlängen des Lichts gleichermaßen fokussieren und chromatische Aberration eliminieren können, aber diese Linsen konnten nur zirkular polarisiertes Licht fokussieren.

"Das bedeutete, dass wir im Wesentlichen die Hälfte des einfallenden Lichts verworfen haben, das nicht die richtige Polarisation aufweist", sagte Alexander Zhu, Mitautor der Studie und Doktorand am SEAS.

In diesem neuesten Design haben die Forscher das Layout der Nanofinnen geändert und jede Säule so positioniert, dass sie entweder parallel oder senkrecht zu ihrem Nachbarn steht.

"Dieses neue Design gibt uns viel Freiheit, die geometrischen Parameter der Meta-Linsenobjektive einzustellen, was uns ermöglicht, die achromatische Fokussierung über den gesamten sichtbaren Bereich besser zu erreichen", sagte Chen.

"Als nächstes wollen wir die Effizienz maximieren und viel größere achromatische Meta-Linsenobjekte herstellen, um sie für eine Vielzahl von Anwendungen in den Alltag zu bringen", sagte Capasso.

Harvard's Office of Technology Development hat das geistige Eigentum im Zusammenhang mit diesem Projekt geschützt und prüft Vermarktungsmöglichkeiten.

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