Verbessern Sie die Bildqualität mit breitbandigen achromatischen und polarisationsunempfindlichen Metallobjektiven

Die präzise Steuerung des Lichts ist eine entscheidende Voraussetzung für die optische Bildgebung, Erfassung und Kommunikation. Herkömmliche, für diesen Zweck eingesetzte Objektive weisen Einschränkungen auf und erfordern präzisere und kompaktere Lösungen. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, haben Forscher Metalenses entwickelt, ultradünne Linsen aus Nanomaterialien, deren Größe kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist. Diese Subwellenlängenelemente bieten die Möglichkeit, Lichtwellen mit außergewöhnlicher Präzision zu manipulieren und ermöglichen eine präzise Steuerung der Amplitude, Phase, Polarisation und Richtung der Lichtwellen.

Darüber hinaus sind Metalllinsen im Vergleich zu sperrigen Linsen einfacher herzustellen und eignen sich ideal für miniaturisierte und hochintegrierte optische Geräte. Allerdings sind sie aufgrund der Subwellenlängenelemente auch anfällig für chromatische Aberration. Dies ist ein Zustand, bei dem beim Durchgang von Licht durch eine Metalllinse jede Wellenlänge bei der Wechselwirkung mit den Subwellenlängenstrukturen eine andere Phasenverschiebung erfährt. Dies führt dazu, dass die verschiedenen Farben oder Wellenlängen des Lichts nicht am selben Punkt zusammenlaufen, was zu einem Fokusverlust und einer verminderten Bildqualität führt.

Jetzt in einer neuen Studie veröffentlicht in Fortschrittlicher Photonik-NexusForscher haben einen neuartigen Ansatz zur Schaffung breitbandiger achromatischer und polarisationsunempfindlicher Metalenses (BAPIML) vorgestellt. Ihr Ansatz nutzt das Rayleigh-Kriterium für die Punktauflösung, ein Grundprinzip der Optik, mit dem die minimal auflösbaren Details in einem Bildgebungssystem definiert werden.

„Die gemeldeten wissenschaftlichen und technischen Fortschritte sind bemerkenswert, da sie einen Weg zur Auflösung chromatischer Aberration in Metaoberflächen bieten, eine Herausforderung, die den Fortschritt auf diesem Gebiet behindert hat“, betont Professor Alex Krasnok, Herausgeber der Zeitschrift von der Florida International University.

Nach dem Rayleigh-Kriterium für die Punktauflösung können eng beieinander liegende Punktquellen aufgelöst werden, wenn das Zentrum des von einer Punktquelle erzeugten Beugungsmusters auf das erste Minimum des Beugungsmusters einer anderen Punktquelle fällt. Wenn sich die Beugungsmuster dieser Grenze nähern, sind die beiden Punkte nicht mehr voneinander zu unterscheiden. Dieses Prinzip war ausschlaggebend für die Entwicklung von Teleskopen und Mikroskopen zur Unterscheidung von Himmelsobjekten bzw. zur Erfassung kleinster Details in winzigen Exemplaren. In dieser Studie wandten die Forscher dieses Konzept auf geniale Weise an, um stattdessen zwei komplementäre Metalenses zu entwickeln, die die hellen Punkte zu einem einzigen, fokussierten Punkt zusammenführen.

Sie stellten die beiden Metalenses mithilfe von Nanoflossen aus einem Phasenwechselmaterial, Ge2Sb2Se4Te1, her. Diese Nanoflossen waren in orthogonaler oder paralleler Ausrichtung zueinander angeordnet und so konzipiert, dass sie eine Phasenverschiebung in das durch sie hindurchtretende Licht einführen. Eine der Nanoflossen fungierte als Halbwellenplatte für eine Wellenlänge von 4 µm, während die andere als Halbwellenplatte für eine Wellenlänge von 5 µm fungierte.

Wenn die Metalenses mit Licht beleuchtet werden, erzeugen sie zwei deutliche helle Punkte, die auf unterschiedliche Positionen fokussiert sind. Durch sorgfältige Anpassung der Parameter wie Radius und Brennweite der Metalllinsen gelang es den Forschern jedoch, die hellen Punkte zu einem einzigen Fokuspunkt mit einer Effizienz von bis zu 43 % zusammenzuführen. Einfach ausgedrückt wirkten die Linsen chromatischen Aberrationen entgegen, indem sie Licht unterschiedlicher Wellenlänge auf den gleichen Punkt fokussierten.

Schließlich demonstrieren die Forscher die Vielseitigkeit ihres Ansatzes, indem sie einen breitbandigen achromatischen und polarisationsunempfindlichen fokussierenden optischen Wirbel erzeugen. „Einfach ausgedrückt bedeutet diese Arbeit, dass wir auf dem Weg sind, Linsen zu entwickeln, die Licht besser ohne Verzerrung verarbeiten können und möglicherweise eine Vielzahl optischer Anwendungen verbessern können“, sagt Prof. Krasnok.

Diese neue Methode zur Entwicklung von BAPIML öffnet Türen zu einer breiten Palette verbesserter bildgebender und optischer Anwendungen, einschließlich molekularer Sensorik, Bioimaging, Detektoren und holographischer Displays.