Forschenden ist es gelungen, das quantenmechanische Prinzip der starken Kopplung für eine bahnbrechende optische Technik nutzbar zu machen, die das seit langem bestehende Problem der Winkelempfindlichkeit in optischen Systemen überwindet. Ene jetzt in Nature Communications veröffentlichte Studie stellt ultrastabile Dünnschicht-Polaritonfilter vor, die neue Wege in der Photonik, Sensorik, optischen Bildgebung und Displaytechnik eröffnen.
Bei konventionellen optischen Filtern nimmt die Leistung erheblich ab, wenn das Licht in unterschiedlichen Winkeln auf sie trifft, da sich die vom Filter durchgelassene Lichtfarbe je nach Betrachtungswinkel verändert. Diese Leistungsabnahme hat fundamentale Gründe und kann zum Beispiel die Genauigkeit von optischen Sensoren stark beeinträchtigen.
Traditionelle Dünnschichtfilter bestehen aus vielen, sich abwechselnden transparenten Schichten, häufig Metalloxid-Schichten. Licht wird an diesen einzelnen Schichten jeweils teilweise reflektiert oder transmittiert. Die Dicke der einzelnen Schichten bestimmt dabei durch konstruktive und destruktive Überlagerung der Lichtwellen den Farbeindruck, vergleichbar etwa mit den schimmernden Farben von Seifenblasen. Durch das kontrollierte Zusammenspiel vieler solcher Schichten können die Transmissions- und Reflektionseigenschaften von Filtern präzise eingestellt werden. Dieses Prinzip macht die Filter aber grundlegend anfällig für die sogenannte Winkeldispersion – eine Verschiebung der spektralen Eigenschaften zu kleineren Wellenlängen (Blauverschiebung) beim Verkippen des Filters.
Der neue Ansatz des internationalen Teams aus Forschenden der Universität zu Köln, der Universität Hasselt (Belgien) und der University of St Andrews (Schottland) basiert auf einem Prinzip aus der Quantenmechanik: Bei starker Kopplung von Lichtteilchen an die Energiezustände eines organischen Materials entstehen Polaritonen.
Dieses Prinzip verwendeten die Forschenden, um stark absorbierende organische Farbstoffe in optische Filter einzubringen, was zu einer starken Kopplung des interferierenden Lichts mit den Farbstoffen führt.
„Eigentlich möchte man jegliche Art von Absorption in Spektralfiltern vermeiden, um deren optische Qualität nicht zu beeinträchtigen. Wir nutzen hier jedoch gezielt die Lichtabsorption von organischen Materialien aus, um winkelstabile Polaritonmoden mit exzellenten Transmissionseigenschaften zu erzeugen“, sagt Dr. Andreas Mischok von der Universität zu Köln, Erstautor der Studie.
Das Team konnte mit diesem Ansatz Filter mit außergewöhnlicher Winkelstabilität herstellen, die selbst bei extremen Betrachtungswinkeln von über 80° eine Spektralverschiebung von weniger als 15 nm zeigten. Komplexe Vielschicht-Designs zeigten außerdem Spitzentransmissionswerte von bis zu 98 Prozent – ein Wert, der den aktuell besten verfügbaren herkömmlichen Filtern in nichts nachsteht.
Durch die Kollaboration mit der Gruppe von Professor Dr. Koen Vandewal an der Universität Hasselt wurden außerdem Polaritonfilter in organischen Photodioden integriert, um Schmalband-Photodetektoren herzustellen, die den Weg für Fortschritte etwa bei der hyperspektralen Bildgebung beispielsweise für Materialcharakterisierung und für kompakte optischen Sensoren ebnen.
Die Studie zeigt Möglichkeiten auf, die Technologie auf Polymere, Perowskite, Quantenpunkte und andere Materialien anzuwenden und damit das neue Filterprinzip auf einen noch größeren Wellenlängenbereich zu übertragen. Zu den möglichen Anwendungsgebieten der Polaritonfilter gehören Mikrooptik, Displays, Sensoren und Biophotonik. In all diesen Bereichen kann die Winkelunabhängigkeit der neuen Filter das Design optischer Systeme drastisch vereinfachen und ihre Funktionalität erweitern.
Das Forschungsteam sieht Polaritonfilter als einen Eckpfeiler der nächsten Generation optischer Bauteile mit enormen wissenschaftlichem sowie wirtschaftlichem Potenzial. Neben der Integration der Filter in Sensoren wie LiDAR und der Fluoreszenzmikroskopie stehen Anwendungen in Displays im Zentrum zukünftiger Arbeiten. (jr)
