3D-gedruckte Mehrschichtstrukturen für achromatische Linsen

Im Bereich der optischen Technologien bahnt sich eine bemerkenswerte Entwicklung an, die die Leistungsfähigkeit von Linsen und optischen Geräten revolutionieren könnte. Forschende haben kürzlich einen Weg gefunden, mehrschichtige achromatische Metalinsen zu entwerfen, die breitbandig, polarisationsunabhängig und hochauflösend sind. Diese Innovation wurde durch die Kombination von Topologieoptimierung und Vollwellensimulationen erzielt und mittels Zweiphotonenlithographie in einem 3D-Druckverfahren umgesetzt.

Das Team um Cheng-Feng Pan und Kolleg*innen aus Singapur und China demonstrierte die breitbandige Bildgebungsleistung der entwickelten Strukturen unter Weißlicht sowie roten, grünen und blauen Schmalbandbeleuchtungen. Der entscheidende Fortschritt dieser Forschung ist die Fähigkeit der 3D-gedruckten mehrschichtigen Strukturen, breitbandige und multifunktionale Meta-Geräte zu realisieren. Die Ergebnisse dieser bahnbrechenden Arbeit wurden in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht und zieren das Cover der Ausgabe.

Metallinsen haben bereits auf Mikro- und Makroskala beeindruckende Fortschritte in der Bildgebungsleistung gezeigt, was bedeutend für eine Vielzahl von Anwendungen ist. Achromatische Linsen insbesondere ermöglichen eine breitbandige Reaktion, um Farbinformationen zu erfassen und damit das Design und die Anwendungsszenarien für photonische Geräte zu erweitern.

Die Herausforderung bei der Entwicklung dieser Metalinsen lag in der Komplexität ihrer Strukturen, die nun durch 3D-Druck überwunden wurde. Das Forschungsteam nutzte dreidimensionales Drucken, um die Fertigungsherausforderungen der mehrschichtigen achromatischen Metalinsen zu bewältigen. Durch die Verwendung von Zweiphotonenpolymerisation realisierten die Wissenschaftler eine Vielzahl von 3D-Designs.

Die multilayer achromatische Metalinsen, die in dieser Arbeit vorgestellt wurden, zeigen eine bisher unbekannte Leistungseffizienz, indem sie die Vorteile des nanoskaligen hochauflösenden 3D-Drucks nutzen, um Metalinsen mit außergewöhnlicher Leistung zu schaffen. Diese Entwicklung inspiriert ein neues Paradigma für das Design und die Herstellung von multifunktionalen breitbandigen optischen Elementen und Geräten.

Die Resultate zeigen eine hohe Fokussierungseffizienz und Bildgebungsleistung der Metalinsen, was die Kapazität dieser Linsen unterstreicht, chromatische Aberrationen zu eliminieren. Die Forschenden optimierten die Parameter, um zu zeigen, wie die mehrschichtigen achromatischen Metalinsen eine hohe Fokussierungseffizienz mit breitbandiger Leistung und topologischer Optimierung erreichen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse die Grenzen der Einzelschicht-Flachoptiken überwinden und die Leistung der Metalinsen auf breitbandige Funktionen ausdehnen, während sie eine hohe numerische Apertur beibehalten. Die Verwendung von höherauflösenden 3D-Druckmethoden und Materialien mit hohem Brechungsindex wird zu einem erhöhten, multifunktionalen optischen System beitragen, das mit einem breitbandigen Reaktionsbereich funktioniert, der über den sichtbaren Bereich hinausgeht und nahe oder mittlere Infrarotbereiche einschließt.