Flacher Retroreflektor aus Metamaterial

  • 19. June 2017

Neue optische Funktionalitäten mit übereinanderliegenden Metaflächen.

Dünne Schichten aus optischem Meta­material oder „Metaflächen“ können die Phase des einfallenden Lichtes nahezu beliebig verändern, sodass man mit ihnen neuartige optische System realisieren kann. Aus zwei über­einander­liegenden Meta­flächen haben Forscher jetzt einen Retro­reflektor hergestellt, der wie ein Katzen­auge das einfallende Licht in die Einfalls­richtung zurückwirft.

Abb.: Der kreisförmige Retroreflektor wirft das Licht für einen großen Bereich von Einfallswinkeln in die Einfallsrichtung zurück, während die umliegende Goldschicht das Licht nur für senkrechten Einfall retroreflektiert. (Bild: A. Arbabi et al. / NPG)

Abb.: Der kreisförmige Retroreflektor wirft das Licht für einen großen Bereich von Einfalls­winkeln in die Einfalls­richtung zurück, während die umliegende Gold­schicht das Licht nur für senkrechten Einfall retro­reflektiert. (Bild: A. Arbabi et al. / NPG)

Die Metaflächen, die Andrei Faraon und seine Mitarbeiter am Caltech in Pasadena verwendet haben, zeigen einen bienen­waben­förmigen Aufbau mit einer Gitterperiode von 450 Nanometern. Jede Wabe hat einen Kern von variabler Dicke aus amorphem Silizium, der von einer Kunststoff­füllung umgeben ist. Das Ganze sitzt auf einer Unterlage aus Silikatglas.

Die beiden unterschiedlich strukturierten Metaflächen änderten die Phase einer einfallenden Licht­welle (mit 850 Nano­meter Wellen­länge) und lenkten die Welle dadurch in ganz bestimmter Weise ab. Je nach dem Einfalls­winkel bündelte die erste Metafläche das Licht auf einen bestimmten Bereich der zweiten Meta­schicht. Dadurch fand eine räumliche Fourier-Transformation statt.

Die zweite Metafläche war eine „Gradienten-Metafläche“. Sie änderte die Komponente kp des Licht­wellen­vektors k, die parallel zur Metafläche lag, um ein konstantes K, sodass sie zu kp – K wurde. Hinter der Metafläche befand sich eine Gold­schicht, die das Licht reflektierte, sodass die k-Komponente ks, die senkrecht zur Metafläche lag, ihr Vorzeichen umkehrte. Nach erneutem Passieren der Metafläche wurde die Parallel­komponente des Wellen­vektors k zu kp – 2K.

Für Licht aus einer speziellen Einfalls­richtung, dessen Parallel­komponente kp einen mit K über­einstimmenden Wert hatte, kehrte die zweite Metafläche im Zusammen­wirken mit der Gold­schicht offenbar den gesamten Wellenvektor k um, sodass das Licht retro­reflektiert wurde. Für andere Einfalls­winkel war der Reflektor jedoch nicht „retro“, da er dieses Licht nicht in die Einfalls­richtung zurückwarf.

Abb.: Der Retroreflektor besteht aus zwei mikrostrukturierten Metaflächen und einer reflektierenden Goldschicht. Die erste Metafläche lenkt das Licht für unterschiedliche Einfallsrichtungen auf unterschiedliche Bereiche der zweiten Metafläche, die dann lokal die Phase so ändert, dass der Wellenvektor sein Vorzeichen umkehrt. (Bild: A. Arbabi et al. / NPG)

Abb.: Der Retroreflektor besteht aus zwei mikro­strukturierten Meta­flächen und einer reflektierenden Goldschicht. Die erste Metafläche lenkt das Licht für unterschiedliche Einfalls­richtungen auf unterschiedliche Bereiche der zweiten Metafläche, die dann lokal die Phase so ändert, dass der Wellen­vektor sein Vorzeichen umkehrt. (Bild: A. Arbabi et al. / NPG)

Doch Andrei Faraon und seine Kollegen konnten dieses Problem lösen. Mit der ersten Metafläche lenkten sie das Licht, das aus einer bestimmten Richtung kam und die Parallel­komponente kp hatte, auf einen bestimmten Bereich der zweiten Metafläche. Dieser Bereich war so strukturiert, dass er die Parallel­komponente um K = kp veränderte und somit – zusammen mit dem Goldspiegel – das Licht retro­reflektierte.

Licht aus einer anderen Einfallsrichtung wurde hingegen auf einen anderen Bereich der zweiten Metafläche gelenkt, der wiederum so strukturiert war, dass er dieses Licht ebenfalls retro­reflektierte. Nachdem das zurückgeworfene Licht auch wieder die erste Metafläche passiert hatte, die es zurück­transformierte, war die ursprüngliche Lichtwelle wieder hergestellt. Allerdings war nun der Wellenvektor negativ, sodass die Retro­reflexion abgeschlossen war.

Die Forscher haben ihren Retroreflektor eingehend getestet. Demnach betrug seine Retro­reflektivität R für kleine Einfallswinkel zirka 80 Prozent, sie nahm jedoch mit zunehmendem Einfallswinkel ab und lag für 50 Grad unter 20 Prozent. Für transversal elektrisch (TE) polarisierte Wellen war R deutlich höher als für transversal magnetisch (TM) polarisierte. Für Einfallswinkel bis 20 Grad hatte der Retro­reflektor gute Abbildungs­eigenschaften. Wurde ein mikroskopisch strukturiertes Bild auf ihn projiziert, so warf er es getreu zurück, wobei noch Details von unter 10 Mikrometern zu erkennen waren.

Der etwa 500 Mikrometer dicke Retro­reflektor lässt sich in planare optische Detektoren und Modulatoren integrieren. Indem man mit ihm einen einfallenden Lichtstrahl moduliert und zur Lichtquelle zurückwirft, könnte man den Retro­reflektor zur optischen Daten­übertragung durch den leeren Raum nutzen, wobei nur wenig Leistung aufgebracht werden müsste. Die Arbeit der Caltech-Forscher zeigt, dass über­einander liegende Meta­flächen völlig neue Möglichkeiten für die Optik eröffnen.

Rainer Scharf

DE

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