Physikalische Gesetze der Optik und Photonik können verwendet werden, um die Ausbreitung von Licht zu modellieren. Konventionelle reflektierende und refraktive Optiken, auch bekannt als geometrische Optiken, beschreiben Licht als einen Strahl, der von optischen Werkstoffen (wie poliertes Glas, farbiger mattierter Kunststoff, menschliche Haut, matt weiße Farbe usw.) reflektiert, gebrochen, gestreut oder absorbiert werden kann.

Im Gegensatz dazu beschreibt die diffraktive Optik Licht als elektromagnetische Welle. Lichtbeugung tritt auf, wenn Lichtwellen auf Mikrostrukturen (mikrooptische Elemente) oder Öffnungen treffen, die in ihrer Größe mit ihrer Wellenlänge vergleichbar sind. Wenn Licht durch diese Strukturen, die nur Hunderte von Nanometern groß sein können, gebeugt wird, kann der Lichtstrahl fokussiert, geformt, umgelenkt oder geteilt werden.

Die Komponenten, die Lichteigenschaften durch Beugung manipulieren, werden als diffraktive optische Elemente (DOE) bezeichnet. Einige dieser Elemente werden heute in der Optik verwendet, z. B. Beugungsgitter, andere sind neu und gelten als die nächste Generation optischer Linsen (z. B. Metaoberflächen und Metalinsen).

DOEs bieten präzise Steuerung von Phase, Polarisation und Intensität von Lichtwellen, was sie äußerst zweckmäßig macht. Sie sind außerdem viel dünner und leichter als herkömmliche refraktive optische Elemente, wodurch Größe, Gewicht und Kosten optischer Systeme reduziert werden können.

Es gibt viele gängige Arten von DOEs, die zur Manipulation von Lichtquellen verwendet werden. Dazu gehören Beugungsgitter, Fresnel-Zonenplatten, diffraktive Strahlteiler, diffraktive Strahlformer und diffraktive Diffusoren.

Beugungsgitter

Beugungsgitter sind optische Strukturen mit sehr kleinen, periodischen Mustern, deren Abstand so klein ist wie eine Lichtwellenlänge (d. h. im Bereich von Mikro- oder Nanometern). Diese Muster können einfallendes Licht in mehrere räumliche Richtungen umleiten, die als Beugungsordnungen bezeichnet werden. Beugungsgitter werden in vielen Anwendungen eingesetzt, von der Spektroskopie bis hin zu Augmented Reality (AR)-Brillen. 

Es gibt zwei Arten von Beugungsgittern:

• Oberflächenreliefgitter
• Volumenholographische Gitter

Oberflächenreliefgitter enthalten kleine, periodische Rillen, die mechanisch mittels Diamantdrehen, 3D-Druck oder Lithografie erzeugt werden. Die Rillen in den einzelnen Gittertypen sind unterschiedlich, sodass Designer*innen das Gitter an die vorgesehene Anwendung und den Wellenlängenbereich anpassen können. Diese Rillen sind für die Manipulation des Lichts verantwortlich. Die Änderung der Periodizität und der Struktur ändert die Beugungseffizienz und -ordnung des Gitters. Dies ermöglicht bessere Kontrolle bei der Manipulation von Licht.

Volumenholographische Gitter werden hergestellt, indem ein holographisches Muster in einem lichtempfindlichen Werkstoff aufgezeichnet wird. Zuerst wird ein lichtempfindlicher Werkstoff (d. h. ein Polymer oder Glas) einem Interferenzmuster ausgesetzt, das durch zwei kohärente Laserstrahlen erzeugt wird. Dadurch entsteht eine dreidimensionale Modulation des Brechungsindex innerhalb des Trägermaterials.

Wenn Licht in einem der ursprünglichen Erfassungswinkel auf das Gitter trifft, wird der zweite während des Vorgangs verwendete Erfassungsstrahl reproduziert. Die Bandbreite der Antwort hängt von dem Werkstoff, dem Modulationsindex und der Gitterdicke ab.

Fresnel-Zonenplatten

Fresnel-Zonenplatten bestehen aus kreisförmigen Gittern mit radial zunehmender Liniendichte (d. h. Ringe, die sich zur Außenkante hin einander immer mehr annähern). Die konzentrischen Gitter wechseln zwischen transparent und undurchsichtig. Licht, das auf den transparenten Ring trifft, wird übertragen, während Licht, das auf den undurchsichtigen Ring trifft, gebeugt wird. Der Abstand zwischen den Ringen bestimmt, wie das gebeugte Licht gestört und fokussiert wird, um ein Bild zu erzeugen. Fresnel-Zonenplatten können über verschiedene Wellenlängen hinweg eingesetzt werden, was sie für viele Anwendungen wie Röntgenbildgebung, Spektroskopie, Fotografie und Teleskope wertvoll macht.

Diffraktive Strahlteiler

Diffraktive Strahlteiler sind Gitter, die einen einfallenden Lichtstrahl in mehrere Strahlausgänge oder Beugungsordnungen aufteilen. Jeder Ausgangsstrahl behält dieselben optischen Eigenschaften wie der Eingangsstrahl. Diese Geräte werden typischerweise mit monochromatischem Licht in Anwendungen wie Laserstrahlen eingesetzt und sind für bestimmte Wellenlängen und Beugungswinkel ausgelegt.  

Diffraktive Strahlformer

Diffraktive Strahlformer verändern das Phasenprofil und die Intensität von Laserstrahlen mit einem Gaußschen Intensitätsprofil, d. h. mit einem Helligkeitsmuster, bei dem der Strahl in der Mitte am stärksten ist und allmählich zu den Kanten in einer gleichmäßigen Kurve abnimmt. Diffraktive Strahlformer manipulieren die Eigenschaften des Eingangsstrahls, um die Form des Ausgangsstrahls zu ändern. Der Ausgang ist normalerweise kreisförmig oder rechteckig, aber es können auch andere Strahlengeometrieprofile erzeugt werden. Diffraktive Strahlformer werden in der Lithografie, holografischer Beleuchtung, optischen Sensoren, biomedizinischen Anwendungen und der Lasermaterialverarbeitung eingesetzt.

Diffraktive Diffusoren

Diffraktive Diffusoren wandeln auch einen einfallenden Laserstrahl in mehrere Ausgangsstrahlen um, aber der Hauptunterschied besteht darin, dass sich diese Strahlen überlappen und beeinflussen, um eine homogene Verteilung zu erzeugen. Sie bestehen typischerweise aus spezifischen Mustern von Mikrostrukturen, die bestimmen, wie Licht gebeugt und verteilt wird. Techniker*innen können diese mikrometrischen Strukturen so gestalten, dass sie unterschiedliche Beleuchtungsmuster (z. B. kreisförmig, quadratisch oder kreuzförmig) erzeugen.

Diffraktive Diffusoren werden eingesetzt, um eine Lichtquelle zu homogenisieren und einen schmaleren Strahl in einen größeren Bereich von Winkeln zu verteilen – ohne die Einschränkungen herkömmlicher refraktiver optischer Komponenten. Zu den Anwendungen zählen Bildverarbeitungssysteme zur gleichmäßigen Beleuchtung für bessere Bilderfassung, Displays zur Verbesserung der Blickwinkel, Flash LiDAR zur gleichmäßigen Verteilung von Laserstrahlen auf einen weiten Bereich; und Scanning LiDAR zur Steuerung der Ausbreitung des Laserstrahls, was auch als Diffusionswinkel bezeichnet wird. 

Neben den etablierten DOEs entsteht eine neue Klasse fortschrittlicher diffraktiver optischer Komponenten, die die nächste Generation optischer Technologien repräsentieren. Diese werden mithilfe moderner Halbleiterfertigungsverfahren wie Nanoimprinting und Lithografie erzeugt. Heutzutage sind zwei der wichtigsten modernen Lösungen Metalinsen und Gitterkoppler für photonische integrierte Schaltkreise (PICs).

Metalinsen

Metalinsen bestehen aus Millionen von Meta-Atomen, also nanoskaligen Strukturen mit unterschiedlichen Formen und Größen, die auf einem Trägermaterial positioniert sind, um eine Linse zu bilden. Größe und Position der Meta-Atome auf der Oberfläche verändern die Umlenkung von Lichtwellen. Metalinsen bieten eine sehr dünne Alternative zu herkömmlichen sperrigen Linsen, da sie etwa so dünn wie eine Haarsträhne und viel kompakter sind. Sie sind unglaublich leicht und somit ideal für tragbare Geräte geeignet. Darüber hinaus können Metalinsen mit Verfahren und Ausrüstung hergestellt werden, die bereits für die Massenproduktion von Halbleiterchips genutzt werden.

Metalinsen können auch bestimmte Farben oder Wellenlängen fokussieren oder herausfiltern, wodurch chromatische Aberrationen deutlich reduziert werden. Diese Vorteile machen Metalinsen zu einem vielversprechenden Ersatz für herkömmliche refraktive Objektive in vielen Anwendungen, darunter Projektionssysteme in Augmented Reality-Brillen, dünne und kompakte Zwei-Wege-Imaging-/Projektionslinsen für Endoskope und Bildkameras in Mobiltelefonen und Drohnen.

Gitterkoppler für photonische integrierte Schaltkreise

Ein weiterer Bereich sind Co-Packaged-Optics, die ein integriertes System beschreiben, das aus optischen Komponenten und Silizium auf einem bestückten Trägermaterial besteht. Co-Packaged-Optics sind in der Lage, die Leistungs- und Bandbreitenprobleme moderner Elektronik zu bewältigen, und sie gelten als wichtiger Meilenstein bei der Entwicklung photonischer integrierter Schaltkreise. Einige wichtige Anwendungen umfassen Augmented Reality, Virtual Reality, Bildsensoren und optische Kommunikation.

Co-Packaged-Optics ermöglichen die Kopplung von zwei Wellenleitern unterschiedlicher Größe (ein Eingang und ein Ausgang), bei denen Licht mit geringer Dämpfung oder minimalem Signalverlust von einem Wellenleiter auf einen anderen übertragen wird. Es wird erwartet, dass diese Verbindungen zum Baustein von PICs werden und elektronische Komponenten durch photonische Komponenten ersetzen. PICs werden in Zukunft sehr gefragt sein, da sich Licht schneller als die Geschwindigkeit eines Elektrons bewegt, was bedeutet, dass Schaltkreise theoretisch mit höheren Datenübertragungsgeschwindigkeiten viel schneller arbeiten könnten.

Die Komplexität und der kleine Maßstab diffraktiver optischer Elemente machen sie zu idealen Kandidaten für elektromagnetische 3D-Simulationssoftware. Mit Metalinsen können Simulationen beispielsweise Forschenden helfen, die Position und Größe von Meta-Atomen zu untersuchen, um die Beugung des Lichts durch verschiedene Anordnungen zu simulieren. Simulationen können Designer*innen helfen, Feldverteilung, Fernfeldmuster und Wellenfront-Veränderungen zu analysieren, wenn sie durch eine diffraktive optische Komponente manipuliert werden.

Ansys Lumerical Suite, Ansys Speos-Software und Ansys Zemax OpticStudio-Software können diffraktive optische Komponenten simulieren. Einzelne Komponenten können mithilfe der FDTD- und RCWA-Solver in der Lumerical Suite entworfen werden, und die Leistung eines DOE kann in der OpticStudio-Software analysiert werden. Mit diesen Softwarepaketen können Sie entweder eine einzelne Linse oder mehrere Linsen gleichzeitig simulieren.

Design und Simulation einer Metalinse

Die Simulationssoftware kann zeigen, wie Licht durch Metalinsen mit unterschiedlichen Meta-Atomanordnungen und -größen scheint, und dann die Entwurfsdaten für die Fertigung exportieren. Diese Simulationen können zur Entwicklung von Objektiven für Augmented Reality- und Kompaktprojektoranwendungen eingesetzt werden. Multi-GPU-Einrichtungen in der Ansys-Software können die Simulationsleistung beschleunigen, indem der Speicher und die Rechenleistung mehrerer GPUs kombiniert werden. So können Sie große Metalinsensysteme mit Millionen von Meta-Atomen simulieren.

Simulation von Co-Packaged-Optics

Co-Packaged-Optics-Simulationen aus der Lumerical-Suite können modellieren, wie sich Licht durch einen Wellenleiter ausbreitet, und demonstrieren, wie wichtig seine Form für die Spaltung und Ausrichtung von Lichtwellen ist. Diese digitalen Modelle veranschaulichen, wie Co-Packaged-Optics die Entwicklung von PICs unterstützen können. Optische Simulationen können Designer*innen auch helfen, zu beurteilen, wie effektiv Beugungsgitter Licht in Wellenleiter koppeln können, und zeigen, wie die Wellenausbreitung an die Form und Größe der nachfolgenden Wellenleiter angepasst werden kann. Außerdem können sie modellieren, wie Wellenfronten zu einem bestimmten Muster kombiniert werden können.

Co-Packaged-Optics-Gitterkoppler im In-Out-Design

Metalinsen und Co-Packaged-Optics unterstützen die Entwicklung vieler technologischer Fortschritte, darunter:

• Mobiltelefone und Kameras, die flacher und kompakter sind
• Metaoberflächen, die CMOS-Bildsensor-Mikrolinsen-Arrays und Bayer-Farbfilter ersetzen können
• Leichte und kompakte Augmented Reality-Brillen mit hellerem und schärferem Bild
• Photonische Komponenten, die herkömmliche elektronische Komponenten für schnellere Kommunikation ersetzen können
• Fortschrittliche optische Technologien für das Gesundheitswesen, einschließlich konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie, optischer Kohärenztomographie (OCT), Endoskopen und Intraokularlinsen

Ansys-Softwaretools helfen Unternehmen, ihre Designs noch lange vor Beginn der Fertigung zu verbessern. Tools wie die Lumerical Suite, die das Design diffraktiver optischer Komponenten unterstützen, sind bei Wissenschaftler*innen bereits beliebt und werden von vielen globalen Unternehmen zur Verbesserung ihrer Produkte eingesetzt.

Wenden Sie sich an unser technisches Team, um Design und Fertigung Ihrer diffraktiven optischen Komponenten zu verbessern und sich einen Vorsprung auf dem Markt zu verschaffen.

Zugehörige Ressourcen