Ludwig-Maximilians-Universität München
print

Links und Funktionen
Sprachumschaltung

Navigationspfad


Inhaltsbereich

Nanophysik

Hologramm-Videos im Star-Wars-Stil

München, 24.09.2020

Forscher des Nano-Instituts München der LMU haben auf der Basis sogenannter Metaoberflächen ein Verfahren entwickelt, mit dem sich holografische Videos herstellen lassen.

Illustration einer Twisted-Light-Metaoberfläche zur Anzeige eines holografischen Videos. Grafik: Haoran Ren & Jiatong Tian

Schon lange träumen Physiker und Ingenieure davon, Displays für holografische Videos zu entwickeln, wie wir sie etwa aus dem Film „Star Wars: Episode IV – Eine neue Hoffnung“ kennen. Nun haben Forscher um Haoran Ren vom LMU-Nano-Institut auf der Basis sogenannter Metaoberflächen ein Verfahren entwickelt, mit dem sich holografische Videos herstellen lassen. Darüber berichten die Physiker im Magazin Nature Nanotechnology.

Herkömmliche optische Hologramme, die auf einer mit dem Nobelpreis gewürdigten Erfindung von Dennis Gabor beruhen, nutzen eine dicke fotografische Platte, um das Interferenzmuster zwischen einem Objektstrahl und einem kohärenten Referenzstrahl aufzuzeichnen. Solche statischen optischen Hologramme werden bereits auf Banknoten, Kreditkarten, Pässen und holografischen Aufklebern eingesetzt. Eine Abfolge holografischer Bilder zu erzeugen, die sich zu einem Video zusammensetzen lassen, war bislang eine ziemlich große Herausforderung – und machte zudem den Einsatz sperriger Technologie wie räumlicher Lichtmodulatoren, akustooptischer Modulatoren und sequenzielles Scannen von Hologrammen notwendig. Das Ergebnis war oft unbefriedigend: Entweder waren die Bildgröße oder -auflösung zu gering oder teure, komplexe Scanner notwendig.

Das neue, auf Metaoberflächen basierende Verfahren löst viele dieser Probleme. Metaoberflächen sind vielseitige Nanotechnologie-fähige Plattformen, sie verwenden ultradünne, flache Optiken, um die Amplitude, Phase und Polarisation von Licht zu beeinflussen. Ultradünne Metaoberflächen-Hologramme mit hoher räumlicher Auflösung, hervorragender Bildgröße und erweitertem Betrachtungswinkel lassen sich so realisieren.
Allerdings gab es zunächst ein Problem: Die Bandbreite eines Metaoberflächen-Hologramms war zunächst nicht ausreichend, um ein holografisches Video zu produzieren. „Um die Bandbreite eines Metaoberflächen-Hologramms zu erhöhen, wurden bereits verschiedene Freiheitsgrade des Lichts einschließlich Polarisation, Wellenlänge und Einfallswinkel erforscht“, sagt Ren, Humboldt-Forschungsstipendiat am Nano-Institut. Für eine praktische Anwendung war die Bandbreite bislang zu gering.

Ein neuer Ansatz brachte hier den Durchbruch. „In den letzten zehn Jahren hat sich die Speicherung von Information in Twisted Light, das den Bahndrehimpuls trägt, zu einem faszinierenden Trend entwickelt", erklärt Stefan Maier, Inhaber des Lehrstuhls für Hybride Nanosysteme an der LMU und Co-Autor des Beitrags. „Dieser Freiheitsgrad des Lichts weist eine unbegrenzte Anzahl spezieller Moden auf, die als unabhängige Informationskanäle fungieren können.“

Die Forscher entwickelten für ihre Holografie ein Metaoberflächen-Hologramm mit komplexer Amplituden- und Phasensteuerung. Unter Verwendung von 3D-Laserdruck stellten sie dabei eine 2,5 mm × 2,5 mm große Metafläche mit komplexer Amplitude her. Mithilfe von Twisted Light lassen sich so 200 Bildframes adressieren, so Ren. „Unser 3D-Laserdruck auf Metaoberflächen könnte neuartige Metaoberflächen-Designs für eine Vielzahl von Anwendungen inspirieren, in denen die derzeitige flache Optik erhebliche Auswirkungen hat“, fügt Maier hinzu. „Wir können uns gut vorstellen, dass unsere Arbeit ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen in der Industrie und der wissenschaftlichen Forschung hat, einschließlich intelligenter Head-up-Displays, tragbarer Geräte für Augmented Reality und Deep-Learning-Mikroskopie.“
Nature Nanotechnology, 2020.