Silizium-Nanopartikel Neuartiger optischer Diffusor für transparente Bildschirme und Holografie

Mit einer speziellen optischen Streulinse auf Basis von Nanopartikeln lassen sich Richtung, Farbe und Polarisation von Licht gezielt steuern. Neben wissenschaftlichen Anwendungen eignet sich der Diffusor für transparente Bildschirme.

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Optischer Diffusor: Die Streuzentren (schwarze Scheiben) auf dem transparenten Substrat streuen bestimmte Lichtfarben.
Optischer Diffusor: Die Streuzentren (schwarze Scheiben) auf dem transparenten Substrat streuen bestimmte Lichtfarben.
(Bild: Dennis Arslan/Universität Jena)

Diffusoren sind Streuscheiben, die einfallendes Licht mithilfe kleiner Streuzentren beeinflussen und etwa gleichmäßig in alle Richtungen verteilen. Um eher massive traditionelle Diffusoren zu ersetzen, brachten Forscher des KIT und der Friedrich-Schiller-Universität Jena eine Schicht spezieller Silizium-Nanopartikel auf ein Substrat auf.

Dabei verteilten sie die Partikel in einer ungeordneten, aber sorgfältig geplanten Weise. Die Nanopartikel sind hundertmal dünner als ein menschliches Haar und wechselwirken mit bestimmten einstellbaren Wellenlängen des Lichts. Richtung, Farbe und Polarisation von Licht können mit diesen Meta-Oberflächen gezielt gesteuert werden.

Kleine optische Diffusoren mit Nanopartikeln

„Das Forscherteam ging zwei grundlegenden Fragen nach: Wie stark können wir den optischen Diffusor verkleinern und wie genau muss die Unordnung in der räumlichen Struktur der Nanopartikel sein?“, erzählt Aso Rahimzadegan, Doktorand am KIT und einer der beiden Hauptautoren der Studie.

„Bemerkenswerterweise haben wir einen ‚Sweet Spot‘ für die Unordnung gefunden, der zu einer perfekten Diffusion führt.“ Dennis Arslan, Doktorand an der Universität Jena und ebenfalls Hauptautor der Publikation, erläutert: „Wir haben Meta-Oberflächen-Diffusoren hergestellt, die, wenn man sie mit bloßem Auge betrachtet, aus allen Richtungen gleich hell erscheinen.

Das Bemerkenswerte daran ist, dass dies alles in einer Schicht mit einer Dicke von nur 0,2 µm geschieht. Die Diffusoren streuen Licht einer bestimmten Farbe und lassen andere Wellenlängen ungestört passieren.” Diese Eigenschaft sei beispielsweise für wissenschaftliche Anwendungen nützlich, aber auch Konsumartikel wie transparente Bildschirme, die von beiden Seiten betrachtet werden könnten, holografische Projektoren oder Augmented-Reality-Headsets profitierten davon.

Nur durch die Kombination experimenteller und theoretischer Expertise beider Partner war es möglich, Antworten auf die anspruchsvollen Fragen zu finden.

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