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Nanowissenschaften

Twisted Light enthüllt ein Nanoprint-Hologram im Star Wars-Stil

München, 21.09.2020

Forscher des Nano-Instituts München der Ludwig-Maximilians-Universität München haben ein Twisted-Light-Metasurface-Hologramm entworfen, das ein holographisches Video mit 200 unabhängigen Bahndrehimpuls-Bildkanälen linsenlos rekonstruieren kann. Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Illustration einer Twisted Light Metaoberfläche zur Anzeige eines holografischen Videos. Credit: Haoran Ren & Jiatong Tian.

Die Entwicklung eines holografischen Videodisplays, wie man es aus dem Film "Star Wars: Episode IV - Eine neue Hoffnung" kennt, wurde von optischen Physikern und Ingenieuren seit langem verfolgt. Herkömmliche optische Hologramme, die auf einer Nobelpreiserfindung von Dennis Gabor beruhen, nutzen eine dicke fotografische Platte, um das Interferenzmuster zwischen einem Objektstrahl und einem kohärenten Referenzstrahl aufzuzeichnen.

Demonstration von holografischen Videodisplays unter Einsatz von Twisted Light. Credit: Haoran Ren & Xinyuan Fang.

Diese statischen optischen Hologramme werden heutzutage bereits auf Banknoten, Kreditkarten, Pässen und holografischen Aufklebern eingesetzt. Doch die Entwicklung eines Hologramms im Star Wars-Stil, das aus einer Abfolge von holografischen Bildern besteht, die zu einem holografischen Video zusammengesetzt werden, war nach wie vor eine große Herausforderung. Frühere Versuche, holographische Videos zu produzieren, machten den Einsatz sperriger Technologien wie räumliche Lichtmodulatoren, akusto-optische Modulatoren und sequentielles Scannen von Hologrammen nötig. Doch diese Methoden erreichten kein zufriedenstellendes Gleichgewicht zwischen Hologrammauflösung, Bildgröße, Betrachtungswinkel und erreichbarer Bildfrequenz und erforderten manchmal komplexe und teure mechanische Scanner. Metaoberflächen sind vielseitige Nanotechnologie-fähige Plattformen, die ultradünne, flache Optiken verwenden, um die Amplitude, Phase und Polarisation von Licht zu beeinflussen. Ultradünne Metaoberflächen-Hologramme mit hoher räumlicher Auflösung, hervorragender Bildgröße und erweitertem Betrachtungswinkel könnten so realisiert werden. Jedoch ist die Bandbreite eines Metaoberflächen-Hologramms nicht ausreichend, um ein holographisches Video zu produzieren.

"Um die Bandbreite eines Metaoberflächen-Hologramms zu erhöhen, wurden bereits verschiedene Freiheitsgrade des Lichts einschließlich Polarisation, Wellenlänge und Einfallswinkel erforscht. Für eine praktische Anwendung bleibt die Bandbreite jedoch zu gering", sagt Haoran Ren, Humboldt-Forschungsstipendiat am Nano-Institut München, der diese Forschungsarbeit leitet. "In den letzten zehn Jahren hat sich die Speicherung von Information in Twisted Light, das den Bahndrehimpuls trägt, zu einem faszinierenden Trend entwickelt. Dieser Freiheitsgrad des Lichts weist eine unbegrenzte Anzahl orthogonaler helikaler Moden auf, die als unabhängige Informationskanäle fungieren können", erklärt Stefan Maier, Seniorautor des Beitrags und Inhaber des Lehrstuhls für Hybride Nanosysteme an der Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität München sowie des Lee-Lucas-Lehrstuhls für Experimentalphysik am Imperial College London.

Die Forscher entwickelten ein Metaoberflächen-Hologramm mit komplexer Amplitude für die Orbital-Drehimpuls-Multiplex-Holographie mit hoher Bandbreite. "Unser Metaoberflächen-Hologramm mit komplexer Amplitude und vollständiger sowie unabhängiger Amplituden- und Phasensteuerung ermöglicht die Verwendung von Twisted Light mit kontinuierlichen Bahndrehimpulsmodi von -50 bis 50, um 200 Bahndrehimpuls-Bildframes zu adressieren", so Haoran Ren.

Illustration eines Orbital-Drehimpuls-(OAM)-Multiplex-Metaoberflächen-Hologramms mit komplexer Amplitude für eine holografische Videoanzeige. Credit: Nature Nanotechnology.

Die Physiker nutzten die Technologie des direkten 3D-Laserdrucks, um eine großflächige (2,5 mm × 2,5 mm) Metafläche mit komplexer Amplitude herzustellen. "Diese 3D-Metaoberfläche könnte das volle Potenzial der Meta-Optik erschließen, indem sie ihre Designfreiheitsgrade von einer 2D-Querebene auf den 3D-Raum ausdehnt", sagt Haoran Ren.

Ein 3D-Laser-bedrucktes Meta-Oberflächenhologramm mit komplexer Amplitude. Credit: Nature Nanotechnology.

"Unser 3D-Laserdruck auf Metaoberflächen könnte neuartige Metaoberflächen-Designs für eine Vielzahl von Anwendungen inspirieren, in denen die derzeitige flache Optik erhebliche Auswirkungen hat", fügt Stefan Maier hinzu. "Wir können uns gut vorstellen, dass unsere Arbeit ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen in der Industrie und der wissenschaftlichen Forschung hat, einschließlich intelligenter Head-up-Displays, tragbarer Geräte für Augmented Reality und Deep-Learning-Mikroskopie".

Co-Autoren des Papers sind Xinyuan Fang (Co-Lead-Erstautor), Universität Shanghai für Wissenschaft und Technologie, China, Jaehyuck Jang (Co-Lead-Erstautor) und Junsuk Rho, Pohang University of Science and Technology, Korea, und Johannes Bürger, Ludwig-Maximilians-Universität München.