Linsen, Prismen und bewegliche Spiegel bestimmen seit Jahrzehnten, wie Licht gelenkt und geformt wird. In vielen modernen Anwendungen gelten diese Bauteile jedoch als Bremsklotz. Sie brauchen Platz, reagieren träge und lassen sich nur begrenzt in Chips integrieren. Forschende des Advanced Science Research Center (Cuny) in New York zeigen nun einen anderen Weg. Sie haben eine Metasurface entwickelt, die gleich mehrere optische Funktionen auf einem ultradünnen Chip vereint.
Der Chip wandelt unsichtbares Infrarotlicht in sichtbares Licht um. Gleichzeitig bestimmt er die Richtung des entstehenden Lichtstrahls. Bewegliche Teile braucht er dafür nicht. Die Steuerung erfolgt allein über die Polarisation des einfallenden Lichts.
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So funktioniert die Umwandlung
Die Metasurface besteht aus winzigen Strukturen, die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts. Trifft ein Infrarotlaser auf diese Oberfläche, passiert zweierlei. Erstens ändert sich die Farbe des Lichts. Aus Infrarot mit rund 1530 Nanometern entsteht grünes Licht bei etwa 510 Nanometern. Zweitens verlässt das neue Licht den Chip als gebündelter Strahl in einer genau definierten Richtung.
Welche Richtung das ist, hängt von der Polarisation des eingestrahlten Lichts ab. Wird sie umgedreht, ändert sich auch die Auslenkung des Strahls. Der Chip wirkt damit wie eine Kombination aus Frequenzwandler, Linse und Schalter.
„Stellen Sie sich das wie einen flachen, mikroskopisch kleinen Scheinwerfer vor, der nicht nur die Farbe des Lichts verändert, sondern den Strahl auch dorthin lenkt, wo Sie ihn haben möchten, und das alles auf einem einzigen Chip“, sagte Andrea Alù, Gründungsdirektor der Photonics Initiative am CUNY ASRC. „Indem wir verschiedene Teile der Oberfläche zusammenarbeiten lassen, erreichen wir sowohl eine sehr effiziente Umwandlung des Lichts als auch eine präzise Steuerung darüber, wohin dieses Licht gelangt.“
Ein alter Zielkonflikt fällt weg
Metasurfaces sind in der Photonik kein neues Konzept. Bisher standen Entwicklerinnen und Entwickler jedoch vor einem grundsätzlichen Zielkonflikt. Entweder ließ sich Licht lokal sehr fein steuern – dann blieb die Effizienz gering. Oder das Licht koppelte stark über die gesamte Oberfläche – dann ging die präzise Strahlform verloren.
Das neue Design kombiniert erstmals beides bei der sogenannten nichtlinearen Lichterzeugung. Möglich wird das durch einen speziellen Resonanzeffekt, einen „quasi-gebundenen Zustand im Kontinuum“. Vereinfacht gesagt fängt die Struktur das einfallende Licht auf der gesamten Fläche ein und verstärkt es dort. Gleichzeitig sind die einzelnen Nanoelemente gezielt verdreht. Dadurch erhält das austretende Licht eine positionsabhängige Phase, ähnlich wie bei einer fest eingebauten Linse oder einem Prisma.
Das Ergebnis: Der Chip erzeugt Licht der dritten Harmonischen, also mit dreifacher Frequenz, und lenkt es direkt in die gewünschte Richtung. Laut den Messungen ist das Signal rund 100-mal stärker als bei vergleichbaren Metasurfaces ohne diese kollektiven Resonanzen.
Perspektiven für integrierte Photonik
Die Kombination aus Effizienz, Miniaturisierung und Steuerbarkeit macht den Ansatz für viele Anwendungen interessant. Denkbar sind kompakte Lichtquellen für LiDAR-Systeme, Bausteine für optische Signalverarbeitung oder kontrollierte Lichtquellen für Quantentechnologien – alles direkt auf einem Chip.
„Diese Plattform ebnet den Weg für ultrakompakte Lichtquellen und Strahlsteuerungselemente für Technologien wie LiDAR, Quantenlichtgenerierung und optische Signalverarbeitung, die alle direkt auf einem Chip integriert sind“, sagte der Hauptautor Michele Cotrufo, heute Assistenzprofessor an der University of Rochester. „Da das Konzept auf Geometrie und nicht auf einem bestimmten Material basiert, kann es auf viele andere nichtlineare Materialien und verschiedene Lichtfarben, einschließlich Ultraviolett, angewendet werden.“
Langfristig könnten mehrere solcher Metasurfaces kombiniert oder gestapelt werden, um breitere Wellenlängenbereiche abzudecken. Klassische Optik würde damit nicht verschwinden – aber in vielen Chips künftig schlicht überflüssig.
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