30 Juli Metalinsen mit außergewöhnlichen Eigenschaften
Zukünftige Optiken könnten aus ultraflachen Metalinsen bestehen. Ein Schweizer Forschungsteam hat nun eine Stempelmethode entwickelt, die deren Massenproduktion ermöglichen soll und die Linsen zugleich mit besonderen Eigenschaften ausstattet.
Leistungsstarke Optiken bestehen heute aus mehreren Linsen, die häufig den dicksten Teil eines Geräts ausmachen. Die minimale Größe ergibt sich aus der Funktionsweise klassischer Linsen, die auf Lichtbrechung an einer gekrümmten Glasfläche basiert. Forscherinnen und Forscher haben in den letzten zehn Jahren neue Lösungen entwickelt: so genannte Metalinsen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Linsen sind sie flach und bestehen auch nicht aus Glas. Bei Metalinsen lenken spezielle Nanostrukturen auf der Oberfläche das Licht ab. Dieser Linsentyp lässt sich stark miniaturisieren. Kombinieren Forschende die Nanostrukturen mit speziellen Materialien, können sie zudem außergewöhnliche Eigenschaften des Lichts untersuchen. Ein Beispiel ist die nichtlineare Optik, bei der die Wellenlänge des Lichts verändert wird.
Klassische Linse im Vergleich zu einer Metalinse. Die Pfeile symbolisieren die Lichtfarbe und -Richtung. Bild: Ü. Talts / ETH Zürich
Gestempelte Metalinsen
Ein übliches Material für solche Effekte ist Lithiumniobat. Es wird in der Telekommunikation beispielsweise zur Kopplung von Elektronik und Glasfasern verwendet. Rachel Grange, Professorin am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich, Schweiz, erforscht die Herstellung von Nanostrukturen aus diesem Material. Sie und ihr Team haben ein Verfahren entwickelt, das es ihnen erlaubt, Lithiumniobat so zu bearbeiten, dass es als Metalinse funktioniert. Für ihre neue Methode kombinierten die Forschenden chemische Verfahren mit hochpräziser Nanoherstellungstechnik: „Die Lithiumniobatlösung kann im flüssigen Zustand direkt mit einem Formnegativ gestempelt werden – ähnlich wie beim Buchdruck von Gutenberg“, erklärt Doktorandin Ülle-Linda Talts. Wenn das Material auf 600 °C erhitzt wird, erhält das gestempelte Material die notwendigen kristallinen Eigenschaften.
Skizzierter Herstellungsprozess: Die Kunststoffnegativform aus einer Silizium-Vorlage dienst als Stempel für flüssiges Lithiumniobat. Bild: Ü. Talts et al., Adv. Mater. 2025, 418957
Nanostrukturen in Lithiumniobat zu erzeugen, ist mit herkömmlichen Techniken schwierig, da dieses Material sehr stabil und hart ist, erklären die Forschenden. Die neue Methode hingegen soll sich sogar für die Massenproduktion eignen, da die Druckvorlage mehrfach verwendet werden kann. Das spart Zeit und Kosten im Vergleich zu bisherigen Verfahren, mit denen Lithiumniobat bearbeitet wird.
Zusätzlich zur Funktion als Linse können die Metalinsen Laserlicht der halben Wellenlänge erzeugen. Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 800 nm tritt auf der anderen Seite als sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm aus, das auf einen definierten Brennpunkt fokussiert wird. Der Effekt ist nach Angaben der Forschenden nicht auf eine bestimmte Laserwellenlängen beschränkt und soll sich daher in unterschiedlichsten Bereichen vielseitig einsetzen lassen können.
Nanostrukturen, wie sie in den Metalinsen zum Einsatz kommen. Bild: Ü. Talts et al., Adv. Mater. 2025, 418957
Anwendung: Von Echtheitsprüfung bis UV-Lithografie
Metalinsen könnten als Sicherheitsmerkmale auf Banknoten oder zur Echtheitsprüfung von Kunstwerken dienen. Die Strukturen sind zu klein, um sie mit sichtbarem Licht zu erkennen. Und die nichtlinearen Materialeigenschaften ermöglichen eine zuverlässige Überprüfung.
Eine weitere Anwendung könnte die Umwandlung von Infrarotlicht in sichtbares Licht sein, um Infrarotstrahlung mit herkömmlichen und günstigen Kamerasensoren zu detektieren. Die Anwendung im UV-Spektrum könnte moderne UV-Lithografiemaschinen vereinfachen. Diese Maschinen sind heute sehr teuer und groß, aber elementar für die Herstellung von Chips mit Strukturen im Nanometermaßstab.
Optikkomponenten der nächsten Generation
Bis solche Metalinsen auf den Markt kommen, dürfte nach Aussage der Forschenden allerdings noch einige Zeit vergehen. Das Forschungsfeld dieser ultradünnen optischen Elemente an der Schnittstelle von Physik, Materialwissenschaften und Chemie ist noch jung. „Wir haben das Potenzial dieses Technologiefeldes erst ansatzweise erfasst und sind gespannt, welchen Einfluss dieses kostengünstige Verfahren in Zukunft haben wird“, betont Grange.
Originalveröffentlichung
[Ü. Talts, H. Weigand, I. Occhiodori, R. Grange: Scalable Lithium Niobate Nanoimprinting for Nonlinear Metalenses; Adv. Mater. 2025, 418957, DOI 10.1002/adma.202418957]
Quelle: ethz.ch
Bild: Ü. Talts / ETH Zürich