Schaltbare Hologramme & nanoskopische Zoomlinsen: Integrierte Multifunktions-Metaoberflächen (APNPCs) ermöglichen ultraschnelle dynamische Strahlformung

Nanoskopische Zoomlinsen, dynamische Strahlsteuerung und Hologramme, all das lässt sich durch einen innovativen Aufbau aus Metamaterial auf einem Phasenwechselmaterial realisieren. Innerhalb ultrakurzer Zeitskalen kann so auf Nanoebene Licht abgelenkt werden.

• Kombination von mehreren Metaoberflächen-Funktionalitäten in einem robusten Schichtsystem
• Reversibles optisches und elektrisches Schalten mehrerer optischer Funktionalitäten
• Ultra-kurze Fokussierung und variable Strahlsteuerung in einem optischen Element
• Individuelle Anpassung an geforderten Einsatzzweck durch Material- und Strukturwahl

Das Konzept steht für eine neue Generation robuster optischer Elemente wie nanoskopische Variofokus-Linsen und schaltbare Hologramme. Eine noch schnellere Strahlsteuerung könnte auch Hochleistungs-Lidar-Systeme nochmals verbessern.

Die Nutzung optischer Nanoresonatoren eröffnet eine neue Ebene der Miniaturisierung photonischer Elemente. Metaoberflächen ermöglichen es schon heute in vielen Bereichen in Nano-Dimensionen zu denken und zu produzieren; die Herstellung wird stetig einfacher und günstiger.
Durch die Verwendung einer gestaffelten Metaoberfläche auf einem Substrat aus Phasenwechsel-Material können nun unterschiedliche Funktionalitäten in ein Element integriert und unabhängig voneinander geschaltet werden. Außerdem ist eine Änderung der Funktionalität, wie die Strahlablenkung mit beliebigem Winkel, innerhalb ultrakurzer Zeitskalen auf Nano-Ebene realisierbar. Durch die kombinierte Nutzung plasmonischer und dielektrischer Resonanzen wird erstmals die variable Fokussierung mittel-infraroter Strahlung in einem einzigen hochintegrierten Bauteil möglich.

Mechanische Konzepte zur Strahlablenkung sind für sehr kleine Größenordnungen nicht mehr realisierbar. Hochintegrierte, miniaturisierte Stahlablenkung kann auch über die Kombination von Fabry-Pérot-Resonatoren und Phasenübergangsmaterialien erfolgen – diese Konzepte beschränken sich jedoch auf schmalbandige Wellenlängenbereiche. Andere Realisierungen sind extrem temperaturempfindlich; keine bietet bisher unterschiedliche Funktionalitäten in einem Element.

Das Konzept der gestaffelten Metaoberfläche, also ein Aufbau der Metaoberfläche aus unterschiedlichen Designs (unterschiedlichen Resonatorelementen) erlaubt es, die Funktionalität der jeweiligen Bereiche in einem Element zu integrieren. In Abhängigkeit ihrer Größe wechselwirken die Resonatorelemente nur mit bestimmten Wellenlängen und können daher getrennt voneinander angeregt werden. Als Substrat dient das Phasenwechselmaterial Ge₃Sb₂Te₆ (PCM GST-326). Es kann durch optisches oder elektrisches Schalten seinen Brechungsindex ändern und ermöglicht damit die gezielte Auswahl der gewünschten Meta-Funktionalität; die auf ihre dielektrische Umgebung hochempfindlich reagierenden Nanoresonatoren verändern in der Folge ihre jeweilige Resonanzwellenlänge.
Das Konzept dieser hochfunktionellen Komponentenschicht „active plasmonic nanophotonic components“ (APNPCs) wurde bereits erfolgreich im Labormaßstab getestet und ist abhängig von den verwendeten Materialien (Substrat und dessen möglichen Zuständen sowie Auswahl der Resonator-Strukturen) individuell auf seinen Einsatzzweck adaptierbar.

"Beam switching and bifocal zoom lensing using active plasmonic metasurfaces".
Yin, X., Steinle, T., Huang, L. et al.,
Light Sci Appl 6, e17016 (2017),
doi.org/10.1038/lsa.2017.16