Dünnster optischer Diffusor für neue Anwendungen

Die Miniaturisierung von optischen Komponenten ist eine Herausforderung in der Photonik.

Forschenden des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es gelungen, einen Diffusor – eine optische Streuscheibe – auf der Basis von Silizium-Nanopartikeln zu entwickeln. Damit können sie Richtung, Farbe und Polarisation von Licht gezielt steuern. Anwendungen kann die neuartige Technologie etwa in transparenten Bildschirmen oder in der Augmented-Reality finden. Über ihre Ergebnisse berichten die Forschenden in der Zeitschrift „Advanced Materials“. (DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202105868).

Die Photonik – die Wissenschaft von der Erzeugung, Ausbreitung und Detektion von Licht – gilt als Treiber bei der Entwicklung von Technologien für das 21. Jahrhundert. Eine Herausforderung ist es, traditionelle optische Komponenten wie Linsen, Spiegel, Prismen oder Diffusoren zu miniaturisieren oder ihre Merkmale um Eigenschaften zu ergänzen, die erst durch die Nanophotonik zugänglich sind. Dies führt zu neuen Anwendungen wie miniaturisierten Sensoren in autonom fahrenden Fahrzeugen oder integrierten photonischen Quantencomputern.

Diffusoren sind Streuscheiben, die einfallendes Licht mit Hilfe kleiner Streuzentren beeinflussen und etwa gleichmäßig in alle Richtungen verteilen. Um eher massive traditionelle Diffusoren zu ersetzen, brachten Forschende der Universität Jena und des KIT eine Schicht spezieller Silizium-Nanopartikel auf ein Substrat auf. Dabei verteilten sie die Partikel in einer ungeordneten, aber sorgfältig geplanten Weise. Die Nanopartikel sind hundertmal dünner als ein menschliches Haar und wechselwirken mit bestimmten, einstellbaren Wellenlängen des Lichts. Richtung, Farbe und Polarisation von Licht können mit diesen Meta-Oberflächen gezielt gesteuert werden.

„Sweet Spot“ für die perfekte Diffusion

Das Forschungsteam ging zwei grundlegenden Fragen nach: „Wie stark können wir den optischen Diffusor verkleinern und wie genau muss die Unordnung in der räumlichen Struktur der Nanopartikel sein?“, sagt Aso Rahimzadegan, Doktorand am KIT und einer der beiden Hauptautoren der Studie. „Bemerkenswerterweise haben wir einen ‘Sweet Spot’ für die Unordnung gefunden, der zu einer perfekten Diffusion führt.“

„Wir haben Meta-Oberflächen-Diffusoren hergestellt, die, wenn man sie mit bloßem Auge betrachtet, aus allen Richtungen gleich hell erscheinen. Das Bemerkenswerte daran ist, dass dies alles in einer Schicht mit einer Dicke von nur 0,2 Mikrometer geschieht“, erläutert Dennis Arslan, Doktorand an der Universität Jena und ebenfalls Hauptautor dieser Arbeit. „Die Diffusoren streuen Licht einer bestimmten Farbe und lassen andere Wellenlängen ungestört passieren.” Diese Eigenschaft sei beispielsweise für wissenschaftliche Anwendungen nützlich, aber auch Konsumartikel wie transparente Bildschirme, die von beiden Seiten betrachtet werden können, holografische Projektoren oder Augmented-Reality-Headsets profitierten davon. Nur durch Kombination experimenteller und theoretischer Expertise beider Partner war es möglich, Antworten auf die anspruchsvollen Fragen zu finden.

Die Forschung, die zu diesen Ergebnissen geführt hat, wurde in dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Schwerpunktprogramm „Tailored Disorder“ durchgeführt und war am KIT in den Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“ integriert.

Originalpublikation:

Dennis Arslan, Aso Rahimzadegan, Stefan Fasold, Matthias Falkner, Wenjia Zhou, Maria Kroychuk, Carsten Rockstuhl, Thomas Pertsch, and Isabelle Staude: Toward Perfect Optical Diffusers: Dielectric Huygens’ Metasurfaces with Critical Positional Disorder; Advanced Materials, 2021. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202105868

https://www.uni-jena.de/211222_Diffusor