NanoInt

Integrierte Nanooptik

Mit Nanostrukturen zu neuen optischen Eigenschaften

Je mehr die physikalischen Freiheitsgrade des Lichts von einer optischen Komponente beeinflusst werden können, desto gezielter lässt sich das Licht im Sinne der jeweiligen Anwendung beeinflussen und steuern. Verwendet man Strukturen mit Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts, lassen sich Komponenten herstellen, die nicht mehr nach dem bekannten Prinzip der Lichtbrechung funktionieren, wie man es von optischen Linsen her kennt, sondern nach dem der Lichtbeugung. Der neu hinzugewonnene Freiheitsgrad ist dann die Wellennatur des Lichts, die gegenüber der klassischen Lichtbrechung zusätzliche Einflussmöglichkeiten, wie etwa die gezielte Veränderung der Phase dieser Welle erlaubt. Holographie wäre ohne die Beherrschung der Welleneigenschaften des Lichts undenkbar.

Durch weitere Verkleinerung der Strukturen und eine gezielte Auswahl der Materialien aus denen sie aufgebaut sind, lassen sich dann zusätzlich die elektrischen und magnetischen Feldanteile der Lichtwelle kontrolliert beeinflussen. Mit solchen nanophotonischen Komponenten, zu denen beispielsweise Metamateralien, plasmonische Elemente und photonische Kristalle zählen, lassen sich Eigenschaften verwirklichen, die bislang für unmöglich gehalten wurden, wie etwa negative Brechungsindizies oder eine optische Abbildung, die das Beugungslimit einer klassischen Linse übertrifft.

Praxistauglichkeit durch Abdeckung empfindlicher Nanostrukturen

Optisch wirksame Nanostrukturen konnten bislang nicht für alle Anwendungen zum Einsatz kommen, für die ihre besondere Funktionalität dies nahelegen würde. Zum einen ist die Herstellung solcher Nanostrukturen immer noch aufwändig und damit teuer, zum anderen sind diese Strukturen sehr empfindlich gegenüber chemischen und mechanischen Einflüssen.

Das vorliegende Verbundprojekt beabsichtigt, im Hinblick auf den zweiten Aspekt entscheidende Fortschritte zu erarbeiten, die darin bestehen, die empfindlichen Strukturen abzudecken oder ganz in ein anderes Material einzubetten, so dass die Struktur externen, schädigenden Einflüssen vollkommen entzogen ist.

Ein solches Vorhaben ist mit erheblichen Unwägbarkeiten verbunden, da die optischen Eigenschaften einer derartigen, eingebetteten Struktur noch weitgehend unbekannt sind. Es sind daher umfangreiche theoretische Studien und Simulationen verschiedener Einbettungsvarianten durchzuführen, um die gewünschte Funktion der Mikrostruktur auch im vergrabenen oder abgedeckten Zustand zu erreichen. Ebenso müssen verschiedene Verfahren zur Herstellung solcher geschützten Strukturen erforscht werden. Es ist wesentlich, dass die Struktur durch die Einbettung nicht verändert wird. Die Umhüllung muss vollständig sein und darf keine Einschlüsse anderer Materialien enthalten oder sonstige Inhomogenitäten aufweisen.

Die Schwierigkeiten der technischen Realisierung geschützter Nanostrukturen haben bis heute eine erfolgreiche Realisierung des Konzepts verhindert. Das Konsortium beabsichtigt, an dieser Stelle einen Durchbruch zu erzielen und den beteiligten Firmen diesbezüglich eine weltweite Technologieführerschaft zu verschaffen.

Projektdetails

Koordinator

Dr.Mario Sondermann
Carl Zeiss Jena GmbH - Geschäftsfeld Entwicklung und Montage
Carl-Zeiss-Promenade 10, 7745Jena
+49 3641 64-2932

Projektvolumen

1,9 Mio € (ca. 50% Förderanteil durch das BMBF)

Projektdauer

01.04.2014 - 31.03.2017

Projektpartner

Carl Zeiss Jena GmbH - Geschäftsfeld Entwicklung und MontageJena
Friedrich-Schiller-Universität Jena - Physikalisch-Astronomische Fakultät - Institut für Angewandte PhysikJena
ORAFOL Fresnel Optics GmbHApolda
Carl Zeiss AG - CRT-OS System SimulationOberkochen