Gewellte Oberflächen für bessere Lichtkontrolle

Wie wichtig auf Licht basierende Technologien f¨¹r unsere Gesellschaft sind, wurde in den letzten Wochen wieder deutlich. Dank des Internets k?nnen Millionen Menschen im Homeoffice arbeiten, in virtuelle Klassenr?ume eintreten oder mit Verwandten und Freunden sprechen. Das Internet wiederum verdankt seine Leistungsf?higkeit unz?hligen Lichtpulsen, mit denen ¨¹ber Glasfasern enorme Datenmengen rund um den Globus verschickt werden.

Um diese Lichtpulse zu lenken und zu kontrollieren, kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. Eine der ?ltesten und wichtigsten ist das Beugungsgitter, mit dem verschiedenfarbiges Licht in genau vorbestimmte Richtungen abgelenkt wird. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, das Design und die Herstellung von Beugungsgittern zu verbessern und die Gitter den anspruchsvollen Anwendungen von heute anzupassen. An der ETH Z¨¹rich haben Forschende um David Norris, Professor am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik, eine v?llig neue Methode entwickelt, mit der effizientere und pr?zisere Beugungsgitter hergestellt werden k?nnen. Sie taten dies gemeinsam mit Kollegen, die jetzt an der Universit?t Utrecht arbeiten, und der Firma Heidelberg Instruments Nano, die als ETH-Spin-off SwissLitho gegr¨¹ndet wurde. Ihre Ergebnisse ver?ffentlichten sie k¨¹rzlich in der Wissenschaftszeitschrift externe Seite Nature.

Interferenz durch Rillen

Beugungsgitter beruhen auf dem Prinzip der Interferenz. Wenn eine Lichtwelle auf eine gerillte Oberfl?che f?llt, so wird sie in viele kleinere Wellen aufgeteilt, die jeweils von einer Rille ausgehen. Wenn diese Wellen die Oberfl?che verlassen, k?nnen sie sich entweder gegenseitig verst?rken oder ausl?schen, je nach ihrer Ausbreitungsrichtung und Wellenl?nge (die mit ihrer Farbe zusammenh?ngt). Dies erkl?rt, warum die Oberfl?che einer mit weissem Licht beleuchteten CD, auf der Daten in feinen Rillen gespeichert sind, einen Regenbogen an reflektierten Farben erzeugt.

Damit ein Beugungsgitter richtig funktioniert, m¨¹ssen seine Rillen einen ?hnlichen Abstand haben wie die Wellenl?nge des Lichts, also in etwa einen Mikrometer ¨C hundertmal kleiner als ein menschliches Haar. ?Traditionell werden diese Rillen mit Herstellungsmethoden der Mikroelektronik in die Materialoberfl?che ge?tzt?, sagt Nolan Lassaline, Doktorand in Norris¡¯ Arbeitsgruppe und Erstautor der Studie. ?Das bedeutet allerdings, dass die Rillen des Gitters treppenartig-kantige Seitenw?nde haben. Andererseits sagt uns die Physik, dass die Rillen glatt und gewellt sein sollten wie die gekr?uselte Wasseroberfl?che eines Sees.? Mit traditionellen Verfahren hergestellte Rillen k?nnen daher nur eine grobe N?herung darstellen, was zur Folge hat, dass das Beugungsgitter Licht weniger effizient lenkt. Dank eines v?llig neuen Ansatzes haben Norris und seine Mitarbeiter nun eine L?sung f¨¹r dieses Problem gefunden

Oberfl?chenbearbeitung mit heisser Sonde

Ihr Ansatz beruht auf einer Technologie, die ebenfalls aus Z¨¹rich stammt. ?Unsere Methode ist sozusagen ein Urenkel des Rastertunnelmikroskops, das die sp?teren Nobelpreistr?ger Gerd Binnig und Heinrich Rohrer vor knapp vierzig Jahren in Z¨¹rich erfunden haben?, sagt Norris. In einem solchen Mikroskop werden Materialoberfl?chen mittels einer extrem spitzen Sonde mit hoher Aufl?sung abgetastet. Die so entstandenen Bilder zeigen sogar einzelne Atome des Materials.

Umgekehrt kann man die spitze Sonde aber auch benutzen, um ein Material damit zu bearbeiten und so gewellte Oberfl?chen herzustellen (siehe Bild). Dazu heizen die Forscher die Spitze einer Rastersonde auf fast 1000 Grad Celsius und dr¨¹cken sie an bestimmten Stellen in eine Polymerschicht. Dadurch brechen die Molek¨¹le des Polymers an diesen Stellen auseinander und verdampfen, wodurch die Oberfl?che pr?zise geformt werden kann. Punkt f¨¹r Punkt k?nnen die Wissenschaftler so beliebige Oberfl?chenprofile mit einer Aufl?sung von wenigen Nanometern in die Polymerschicht schreiben. Zum Schluss wird eine Silberschicht auf das Polymer aufgedampft und das Profil so auf ein optisches Material ¨¹bertragen. Die Silberschicht kann dann vom Polymer abgel?st und als reflektierendes Beugungsgitter verwendet werden kann.

?Auf diese Weise k?nnen wir beliebig geformte Beugungsgitter mit einer Aufl?sung von wenigen Atomabst?nden in der Silberschicht herstellen?, sagt Norris. Anders als bei den traditionellen kantigen Rillen sind solche Gitter sind nun keine N?herungen mehr, sondern praktisch perfekt, und sie lassen sich so formen, dass die Interferenz der reflektierten Lichtwellen pr?zise kontrollierbare Muster bildet.

Eine Vielzahl von Anwendungen

Solche perfekten Beugungsgitter er?ffnen neue M?glichkeiten der Lichtkontrolle, die zu einer Reihe von Anwendungen f¨¹hren, sagt Norris: ?Die neue Technik kann beispielsweise dazu verwendet werden, winzige Beugungsgitter in integrierte Schaltkreise einzubauen, mit denen optische Signale f¨¹r das Internet noch effizienter gesendet, empfangen und verteilt werden k?nnen.? Lassaline f¨¹gt hinzu: ?Generell k?nnen wir mit solchen Beugungsgittern stark miniaturisierte optische Ger?te wie etwa Mikro-Laser herstellen, die in einen Chip integriert sind.? Diese miniaturisierten Ger?te, sagt er, reichen von ultra-d¨¹nnen Kameralinsen bis hin zu kompakten Hologrammen mit sch?rferen Bildern. Sie werden voraussichtlich verschiedenste optischen Technologien beeinflussen, wie etwa futuristische Handykameras, Biosensoren oder autonomes maschinelles Sehen f¨¹r Roboter und selbstfahrende Autos.