Nanotechnologie revolutioniert bald Laser- und Optotechnik
Linsen, Objektive, Laserbauteile, oder Bildschirme werden mit einer Antireflexbeschichtung versehen, um eine möglichst hohe Lichtdurchlässigkeit zu gewährleisten. Denn das Licht sollte in diesen Fällen möglichst ungehindert übertragen werden. Dennoch stellt die Antireflexbeschichtung nicht die endgültige Lösung in der optischen Technik dar. Zudem ist damit der besondere Nachteil verbunden, dass die Beschichtung nur innerhalb enger Wellenbereiche Wirkung zeigt. Die alternative Technik, die von den Forschern des Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart vorgestellt wurde, ist eine Inspiration aus der Natur. Die besondere Beschaffenheit der Augenoberfläche mancher Insekten, die auch Nachts gut sehen müssen, hat die Forscher zur Nachahmung eines besonderen Designs angeregt. Beispielsweise reflektieren die Augenoberflächen des Nachtfalters praktisch kein Licht. Das Licht kann also optimal für das nächtliche Sehen eingefangen werden. Die Lösung der Wissenschaftler ist einfach, der technologische Hintergrund dagegen komplizierter.
Anstelle der Aufbringung einer reflektierenden Beschichtung sollen die Oberflächen verarbeitet werden. So soll auch eine hohe Lichtdurchlässigkeit im größeren Wellenbereich möglich sein. Die Forscher konnten bei näherer Untersuchung der Augenoberflächen des Nachtfalters eine aufschlussreiche Struktur erkennen. Ein entsprechender Fortschritt in dieser Richtung würde eine grundlegende Wende in der Solar-, Laser-, und optischen Technik bedeuten. Zhaolu Diao, von der Abteilung „Neue Biomaterialien und Biosysteme“ der unter der Aufsicht von Joachim Spitz forscht, erklärte : „Die Augenoberfläche ist von dicht nebeneinander stehenden, säulenartigen Strukturen übersät, die nur wenige Hundert Nanometer hoch sind und nach oben hin spitz zulaufen“. Diese bewirken demnach die kontinuierliche Veränderung des Brechungsindex bei Eindringen des Lichts in diese Grenzschicht – ausgehend von dem der umgebenden Luft bis hin zu dem des eigentlichen Materials der äußeren Augenschicht. Anders bei glatten Grenzflächen, wo sich der Brechungsindex plötzlich ändert. Hier kommt es zur unerwünschten Lichtreflexion.
Es ist also der allmähliche Übergang des Brechungsindex, wodurch das einfallende Licht so gut wie nicht reflektiert wird und somit vollständig aufgenommen werden kann. Zur Umsetzung dieses Effekts müssen nach Zhaolu Diao die Abstände zwischen den Säulen deutlich verringert werden. In einem zweistufigen Prozess haben die Wissenschaftler die Säulenstruktur imitiert. Zunächst werden Goldpartikel auf der Oberfläche in räumlich regelmäßigen Mustern abgeschieden, so dass die Goldpunkte mit den Knotenpunkteneiner Wabenstruktur verglichen werden können. Dem folgt ein chemischer Ätzprozess, bei dem die Metallinseln als Maske fungieren. Da unterhalb der Goldpunkte kein Material weggeätzt wird, bleiben säulenartige Figuren zurück. Neu ist diese Methode nicht. Schon bei kurzwelligem UV-Licht und sichtbarem Licht fand sie Anwendung. Die bislang maximale Säulenhöhe von 500 Nanometern reichen jedoch nicht für längerwelliges, nahes Infrarot-Licht aus, um Transmissionsgrade von 99,5 Prozent oder mehr zu ermöglichen. Die Höhe der Nanostruktur richte sich nach der Wellenlänge des Lichts, so Zhaolu Diao.
Schließlich gelang es den Wissenschaftlern die abgeschiedenen Goldinseln zu vergrößern, um beim Ätzprozess tiefer hineinwirken zu können. Somit konnten Säulen-Höhen von 2000 Nanometern erreicht werden. Der gleichmäßige Verlauf der spitz zulaufenden Säulen ist für den hohen Transmissionswert von entscheidender Bedeutung. Mittels dieser Technik kann selbst die geometrische Form der Pfeiler bestimmt werden. Im Test konnte nachgewiesen werden, dass höhere Säulen auch größere Wellenlängen optimal transmissionieren.Säulen mit einer Höhe von 1,95 Mikrometern erreichten ein Transmissionsmaximum von fast 2400 Nanometern. Dieser Wert lag damit im NIR-Bereich. Durch die hohe Transmission, welche mit einer reduzierten Lichtreflexion einhergeht, kann das behandelte Material sich seiner Umgebung optisch anpassen. Die Umrisse verschwinden. Der Gegenstand wird unsichtbar. So wie auch ein quadratisches Quarzglasstück, mit dem die Forscher einen entsprechenden Test machten und das nach dem Ätzprozess weder mit dem bloßen Auge, noch mit der Kamera zu erkennen war. Mit dem behandelten Quarzglas abgedeckte Abbildungen ließen sich selbst schräg von oben erkennen. Was vorerst an Quarzglas Bewährung gezeigt hat, soll künftig an optischen Gläsern und Saphir getestet werden. Bei einem positiven Ergebnis stehen vielen Technologischen Bereichen neue Qualitäten bevor. Beim Hochleistungslaser könnten durch den Einsatz von Grenzflächen, bei denen 99,8 Prozent Licht durchkommt, der Verlust durch das Verstärkungssystem, bei dem das Laser von Linse zu Linse geschickt wird, auf bis zu 23 Prozent gesenkt werden. Reflexionsverluste würden so gesenkt.
