17 Feb. Optische Filter mit außergewöhnlicher Winkelstabilität
Neue Wege in der Photonik, Sensorik, optischen Bildgebung und Displaytechnologie versprechen neuartige optische Filter, die nach Angaben der Entwickler das seit langem bestehende Problem der Winkelempfindlichkeit in optischen Systemen lösen sollen. Bislang nimmt die Leistung von optischen Filtern erheblich ab, wenn das Licht in unterschiedlichen Winkeln auf sie trifft. Diese Leistungsabnahme hat fundamentale Gründe und kann zum Beispiel die Genauigkeit von optischen Sensoren stark beeinträchtigen.
Filter nutzt einen Quanteneffekt
Einem Team von Forschenden der Universität Köln, der belgischen Universität Hasselt und der schottischen University of St Andrews ist es gelungen, das Prinzip starker Kopplung von Lichtteilchen an die Energiezustände eines organischen Materials zu nutzen. Dabei entstehen sogenannte Polaritonen. „Eigentlich möchte man jegliche Art von Absorption in Spektralfiltern vermeiden, um deren optische Qualität nicht zu beeinträchtigen“, erklärt Dr. Andreas Mischok von der Universität zu Köln. „Wir nutzen hier jedoch gezielt die Lichtabsorption von organischen Materialien aus, um winkelstabile Polaritonmoden mit exzellenten Transmissionseigenschaften zu erzeugen.“
Spektral stabil
Das Team stellte Filter mit außergewöhnlicher Winkelstabilität her, die selbst bei Betrachtungswinkeln von über 80° eine Spektralverschiebung von weniger als 15 nm Wellenlänge zeigten. Komplexe Vielschicht-Designs erreichte außerdem Transmissionswerte von bis zu 98 % – ein Wert, der an die aktuell besten verfügbaren herkömmlichen Filter heranreicht. Außerdem wurden Polaritonfilter in organische Fotodioden integriert, um Schmalband-Fotodetektoren herzustellen, die den Weg für Fortschritte etwa bei der hyperspektralen Bildgebung, beispielsweise für Materialcharakterisierung, und für kompakte optischen Sensoren ebnen sollen.
Neues Filterprinzip für viele Anwendungen
Die Studie zeigt nach Aussage der Forschenden Möglichkeiten auf, die Technologie auf Polymere, Perowskite, Quantenpunkte und andere Materialien zu erweitern und damit das neue Filterprinzip auf einen noch größeren Wellenlängenbereich zu übertragen. Zu den möglichen Anwendungsgebieten der Polaritonfilter gehören Mikrooptik, Displays, Sensortechnologien und Biophotonik. In all diesen Bereichen kann die Winkelunabhängigkeit der neuen Filter das Design optischer Systeme drastisch vereinfachen und ihre Funktionalität erweitern, sind sich die Forschenden sicher.
Originalpublikation
[Mischok, A., Siegmund, B., Le Roux, F. et al., Breaking the angular dispersion limit in thin film optics by ultra-strong light-matter coupling. Nat Commun 15, 10529 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54623-1]
Quelle: www.uni-koeln.de
Bild: Springer Nature, aus Nat Commun 15, 10529 (2024)
