Ein Forschungsteam um David Norris, Professor am Optical Materials Engineering Laboratory der ETH Zürich, hat erstmals Pixel entwickelt, mit denen sich Licht sowohl steuern als auch analysieren lässt. Dabei ist es möglich, nicht nur die Intensität des Lichts, sondern auch seine Schwingungsphase und Polarisierung zu kontrollieren und zu analysieren. Aus diesen bidirektionalen Pixeln könnten in Zukunft beispielsweise Kamera-Displays entstehen, die beide Funktionen in einem Gerät vereinen.
Die neue Technik nutzt die Interferenz von Lichtwellen, um mit einer wellenförmig modellierten Oberfläche eines Materials Licht präzise zu steuern. Zur Steuerung wird das einfallende Licht im Material zunächst an der entsprechenden Stelle des Chips, dem Pixel, in eine Oberflächenwelle (Oberflächen-Plasmon-Polariton) umgewandelt. Diese breitet sich entlang der Oberfläche des Chips aus.
An anderer Stelle innerhalb des Pixels wird die Oberflächenwelle wieder als Lichtwelle aus dem Material gestreut. Durch die Interferenz der Lichtwellen können dann Muster und Bilder entstehen. Mithilfe der mathematischen Fourier-Analyse berechnen die Forschenden, wie diese Bilder aussehen und welches Oberflächenmuster für ein bestimmtes Bild erforderlich sind.
„Mit unseren Fourier-Pixeln können wir zusätzlich zur Lichtintensität, also dem Hell und Dunkel, aus dem Bilder entstehen, auch weitere Eigenschaften der Lichtwellen kontrollieren, etwa deren Polarisation“, sagt Doktorand Yannik Glauser.
Damit können die Forschenden auch die Schwingungsphase exakt kontrollieren und so beispielsweise Lichtstrahlen mit einem Loch in der Mitte erzeugen. All dies funktioniert auch mit Licht verschiedener Wellenlängen, sodass sich auch farbige Bilder realisieren lassen.
Das Prinzip lässt sich zudem umgekehrt anwenden, um mit dem Fourier-Pixel Licht zu analysieren und die Schwingungsphase oder den Polarisierungszustand des Lichts sichtbar zu machen.
„Dank der Tatsache, dass die entsprechenden Oberflächenprofile der Pixel mittels Fourier-Analyse bestimmt werden, können wir die Kontrolle und Analyse von Amplitude, Phase und Polarisierung auf einem einzigen Pixel kombinieren“, sagt Postdoktorand Sander Vonk. Zudem ist die Fourier-Analyse mathematisch einfach und kommt ohne komplizierte Modelle aus.
Da mit den Oberflächenwellen direkt auf dem Pixel-Material auch mathematische Berechnungen ausgeführt werden können, wäre es sogar denkbar, dass Pixel ohne Umwege über einen Computer auf ein aufgenommenes Bild reagieren und entsprechende Lichtmuster aussenden. Ein kurzfristigeres Ziel ist gemäß Norris die Erweiterung der Methode auf eine Matrix aus mehreren Fourier-Pixeln. Damit könnten komplexe Kamera-Display-Geräte realisiert werden, die wie herkömmliche Kameras oder Displays mit einer Vielzahl von Pixeln arbeiten. (jr)
