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Optische Holografie mit nanostrukturierten Oberflächen

Seit der Erfindung der Holografie durch Dennis Gabor im Jahr 1947 hat sich die Technik zur Erzeugung räumlicher Bilder deutlich weiterentwickelt. Jedoch existieren immer noch einige Beschränkungen in der räumlichen Auflösung und des möglichen Betrachtungswinkels. Durch den Einsatz moderner Nanotechnologie lassen sich jedoch einige Beschränkungen aufheben und neuartige Kodierungsverfahren für ultradünne Hologramme realisieren.

Holografie ermöglicht es, auch räumliche Informationen, wie die Tiefe eines Objekts oder verschiedene Blickwinkel wiederzugeben. Auch wenn es sich dabei nur um ein Bild handelt, kann dieses aufgrund seiner Räumlichkeit als sehr real von uns wahrgenommen werden. Bei einfachen Fotos wird lediglich die reflektierte Lichtintensität des Objekts aufgezeichnet. Bei der Holografie muss auch die Phase der Lichtwelle, die von einem bestimmten Punkt ausgeht, aufgezeichnet werden. Diese Information wird im eigentlichen Hologramm (beispielsweise einer Art Fotoplatte) gespeichert und durch Beleuchtung mit einer geeigneten Lichtwelle wieder ausgelesen. Die Lichtwelle wird dabei so modifiziert, dass der Eindruck entsteht, dass sie vom ursprünglichen Objekt reflektiert wurde.

Hologramme werden heutzutage meist mit Hilfe eines Computers für ein bestimmtes Objekt berechnet und dann mit sogenannter räumlicher Lichtmodulatoren realisiert. Diese Technik kommt in abgewandelter Form auch bei den weit verbreiteten Videoprojektoren zum Einsatz. Die Phaseninformation der Lichtwelle wird dabei lokal in einzelnen Pixeln am Lichtmodulator zurückgewonnen. Die Größe dieser Pixel ist jedoch aus technischen Gründen im Bereich von mindestens einigen Mikrometern begrenzt, und ist damit deutlich größer als die verwendete Wellenlänge von sichtbarem Licht (0,4 bis 0,8 µm). Da die Pixel zu einem periodischen Array zusammengesetzt sind, ergeben sich hierdurch Beugungseffekte, die den Betrachtungswinkel des erzeugten Bildes deutlich einschränken und zugleich die Auflösung insbesondere bei kleinen Hologrammen beschränken.

In unserer Forschung beschäftigen wir uns mit dem Einsatz von nanoskopisch kleinen Metallstrukturen für holografische Konzepte. Dabei ist von großem Vorteil, dass die Pixelgröße um mindestens eine Größenordnung kleiner ausfallen kann und damit die beschriebenen Beugungseffekte zu umgehen sind. In unserer Gruppe verwenden wir zur Herstellung von Hologrammen sogenannte Meta-Oberflächen. Diese besteht aus einer periodischen Anordnung von kleinen metallischen oder dielektrischen Nanostrukturen. Das Licht kann von diesen Nanostrukturen kurzzeitig aufgenommen und wieder abgestrahlt werden. Wird eine solche Struktur mit zirkular polarisiertem Licht beleuchtet, so erhält das wieder abgestrahlte Licht eine Phasenverzögerung, die nur von der Orientierung der Nanostruktur abhängt. Zusätzlich ändert sich dabei der Polarisationszustand des Lichts, beispielsweise von rechts- nach linkszirkular.

Dieser Effekt der Phasenverzögerung lässt sich nutzen, um entlang einer Oberfläche eine räumliche Phasenverteilung zu erzeugen. Am Computer kann nun für ein bestimmtes Objekt die entsprechende Phasenverteilung berechnet und in eine Orientierung der Antennen übersetzt werden. Die kleinen Strukturen werden mittels Elektronenstrahllithographie auf einem Trägermaterial (zum Beispiel Glas) hergestellt. So entsteht das eigentliche Hologramm.

Beleuchtet man das Hologramm mit Licht, so wird dessen Phase beim Durchgang durch das Hologramm lokal unterschiedlich verzögert – gerade so, als würde das Licht vom ursprünglichen Objekt reflektiert. Der Betrachter erhält somit den Eindruck, z.B. ein dreidimensionales Objekt zu betrachten.

Die Erzeugung holografischer Bilder und holografischer Strahlformung wird für viele zukünftige Anwendungen eine immer wichtigere Rolle spielen. Der Einsatz moderner Nanotechnologie kann hierbei helfen, einige Probleme der klassischen Holografie zu überwinden. In Zukunft könnte es möglich sein, mit dieser Technik hochauflösende Hologramme zu erzeugen, die einen deutlichen erweiterten Betrachtungswinkel ermöglichen oder über einen sehr breiten Spektralbereich funktionieren.

Gruppenleitung

Prof. Dr. Thomas Zentgraf

Ultraschnelle Nanophotonik

Thomas Zentgraf
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