Ontwikkeling van 's werelds eerste ultradunne, bipolaire Meta-lens geslaagd

2013-03-14_EBL

Prof. Dr. Thomas Zentgraf, hoofd van de onderzoeksgroep „Ultrasnelle Nanofotoniek“ aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit Paderborn, en Dr. Shuang Zhang, hoofd van het team aan de Universiteit Birmingham, hebben samen 's werelds eerste ultradunne lens voor zichtbaar licht ontwikkeld.

In tegenstelling tot traditionele geslepen glazen lenzen is de nieuwe lens vlak en extreem dun. Hij is slechts 20 tot 30 nanometer (nm) dik, dus 0,00002 tot 0,00003 mm. Een mensenhaar is relatief ongeveer 2.000 keer dikker.

De lens bestaat uit een nieuw soort metamateriaal, een combinatie van glas en goud, dat objecten vergroot of verkleint afhankelijk van het soort invallend licht, dat wil zeggen, afhankelijk van de polarisatiestatus ervan. „De meta-lens toont aan welk potentieel kan worden ontsloten met nieuwe optische materialen om licht zeer effectief gericht te beïnvloeden,“ zegt Thomas Zentgraf: „Het opent flexibele nieuwe mogelijkheden voor het genereren van speciale materiaaleigenschappen, omdat de structuur van het oppervlak naar wens kan worden aangepast.“

De meta-lens kan worden gebruikt in componenten voor de fotonica en maakt door zijn platte vorm een zeer compacte bouw mogelijk, bijvoorbeeld bij geïntegreerde optische schakelingen of bij de stralingsvorming van het licht van LED's. Verdere toepassingen zijn denkbaar in de biofysica, bijvoorbeeld voor de zogenaamde „optische pincet“. Bij deze toepassing kan de meta-lens een speciaal lichtstraalprofiel genereren waarmee objecten kunnen worden „gevangen“ en vastgehouden. En voor toekomstige ontwikkelingen van een kwantumcomputer zou de lens de werking van transistors kunnen overnemen, wanneer deze quasi als „lichtschakelaar“ wordt ingezet.“

Het metamateriaal van de nieuwe lens bestaat uit een kunstmatig vervaardigde, microscopisch fijne structuur. Op een glazen drager worden met elektronenstrahllithografie goudstaafjes van 100 tot 200 nm lang gemaakt. Afhankelijk van de oriëntatie van deze staafjes beïnvloeden ze het invallende licht als kleine antennes lokaal op verschillende manieren. Daarmee kan hetzelfde effect worden bereikt als bij een normale streu- of verzamellens. Wanneer rechts-cirkulair gepolariseerd licht op de meta-lens valt, werkt deze als een focuslens. Bij links-cirkulair gepolariseerd licht wordt de lichtstraal verstrooid, dus gedoofd. De eigenschap van de meta-lens (focussend of defocussend) kan dus eenvoudig worden veranderd door de trillingstoestand van het licht aan te passen, in tegenstelling tot een klassieke lens die vast ligt.

Aangezien de grootte van de goudstaafjes in de lens afgestemd moet zijn op de kleur, dus de golflengte van het gebruikte licht, zijn de structuren op de lens zeer klein. „We hebben getest aan het einde van het zichtbare spectrum bij ongeveer 700 nm,“ zegt Thomas Zentgraf: „Hier bevinden we ons aan de grens van wat momenteel technisch haalbaar is met elektronenstrahllithografie, maar ook dat zal zich verder ontwikkelen.“

Prof. Dr. Thomas Zentgraf leidt aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit Paderborn de onderzoeksgroep „Ultrasnelle Nanofotoniek“ en is lid van de centrale wetenschappelijke instelling „Center of Optoelectronics and Photonics Paderborn (CeOPP)“. Zijn onderzoeksgroep houdt zich bezig met de ontwikkeling van kunstmatige optische materialen en nieuwe concepten voor het beïnvloeden van de lichtverspreiding. Het originele artikel op internet: http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n11/full/ncomms2207.html