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Optik: Papierdünne Linsen dank Nanostrukturen

Physiker wollen herkömmlichen Glaslinsen mit 1000-mal flacheren Bauteilen Konkurrenz machen. Nun funktioniert eine solche »Meta­linse« erstmals mit dem größten Teil des sichtbaren Lichts und unabhängig von dessen Schwingungsrichtung.
Ein nanostrukturiertes Plättchen bündelt alle Farben aus dem Spektrum  des weißen Lichts auf einen Punkt. Das soll etwa Untersuchungen an Gewebe erleichtern, wie in dieser Illustration.

Im frühen 19. Jahrhundert waren Linsen in Teleskopen und sonstigen optischen Instrumenten bereits verbreitet, doch um das Licht von Leuchttürmen effizient hinaus aufs Meer zu bündeln, wären die dafür nötigen riesigen Glaslinsen zu schwer gewesen. Der französische Physiker Augustin Jean Fresnel erkannte jedoch, dass Licht erst beim Übergang von einem Medium ins andere gebrochen wird. In seinen Plänen schnitt er deswegen das entbehrliche Material in der Mitte einer Linse scheibenweise heraus und ließ nur die gekrümmten Oberflächen stehen. Die Erfindung funktionierte, und Seefahrer konnten das Leuchtfeuer weiter vor der Küste erkennen als je zuvor.

Noch heute leiten Linsen nach Fresnels Prinzip die Helligkeit einer nahen Quelle gezielt in die Ferne: Ihre typische Rillenstruktur findet sich beispielsweise im transparenten Plastik jedes Fahrzeugscheinwerfers. Derlei Bauteile lassen sich jedoch nur dann sinnvoll anwenden, wenn es eher auf die Intensität und weniger auf die Qualität der Abbildung ankommt. Sie können hochwertige normale Linsen nicht generell ersetzen, denn ihre mehrfach durch steile Kanten unterbrochene Oberfläche streut Teile des Lichts auf störende Weise ...

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  • Quellen

Chen, W. T. et al.: A broadband achromatic polarization-insensitive metalens consisting of anisotropic nanostruc­tures. Nature Communications 10, 2019

Chen, W. T. et al.: Broadband achromatic metasurface-refractive optics. Nano Letters 18, 2018

Colburn, S. et al.: Metasurface optics for full-color computational imaging. Science Advances 4, 2018