Metaoppervlak: platte optica die licht naar wens buigt
Stel je een cameralens voor die niet dik en gebogen is, maar zo dun en plat als een postzegel. Toch buigt hij het licht precies zoals een gewone lens dat doet: hij bundelt lichtstralen tot een scherp beeld. Dat is in de kern wat een metaoppervlak (Engels: metasurface) mogelijk maakt. In plaats van glas te slijpen tot een gebogen vorm, bedekken onderzoekers een flinterdun plaatje met miljarden piepkleine structuurtjes, veel kleiner dan de golflengte van licht zelf. Elk van die structuurtjes buigt het licht een heel klein beetje, en samen doen ze wat een dikke lens ook doet — maar dan vlak.
Een handige vergelijking is een school vissen die als één groep van richting verandert. Geen enkele vis bepaalt alleen de koers, maar het samenspel van duizenden kleine bewegingen levert een grote, gecoördineerde verandering op. Zo werkt een metaoppervlak ook: geen enkel nanostructuurtje doet iets bijzonders op zichzelf, maar de optelsom van hun effect op de lichtgolf levert functies op die vroeger alleen met dikke lenzen, prisma's of spiegels konden, zoals scherpstellen, licht filteren of een hologram tonen.
Wat is het precies?
Licht is een golf, en golven hebben een fase: het moment in hun trilling waarop ze zich bevinden, vergelijkbaar met waar een schommel zich bevindt in haar heen-en-weerbeweging. Een gewone lens buigt licht door het geleidelijk te vertragen naarmate het door dikker glas reist — in het midden van een bolle lens gaat het licht een langere weg door glas af dan aan de randen, waardoor de lichtgolven na de lens netjes samenkomen in een brandpunt.
Een metaoppervlak bereikt hetzelfde effect zonder dikte. Op een flinterdun laagje — vaak van titaniumdioxide, silicium of galliumnitride, materialen die ook in de chipindustrie gebruikt worden — worden met precieze fabricagetechnieken (vergelijkbaar met die voor computerchips) miljoenen tot miljarden nanostructuren aangebracht: piepkleine pilaartjes, staafjes of vinnen, elk kleiner dan de golflengte van het licht dat erop valt. De vorm, hoogte en oriëntatie van elk structuurtje bepaalt hoeveel vertraging (faseverschuiving) het licht op die specifieke plek ondergaat.
Door op elke plek op het oppervlak een net iets andere structuur te plaatsen, kunnen ontwerpers de faseverschuiving van het licht punt voor punt programmeren. Zo ontstaat een kunstmatig, vlak patroon dat licht laat samenkomen in een brandpunt (een metalens), het in een bepaalde richting laat afbuigen, de polarisatie ervan verandert, of zelfs een compleet hologram projecteert. Dit basisprincipe — lichtgolven sturen via lokale, kunstmatig ontworpen faseverschuivingen in plaats van via de natuurlijke kromming van materiaal — werd rond 2011 wetenschappelijk onderbouwd door de groep van natuurkundige Federico Capasso aan Harvard University, die aantoonde dat je met zulke oppervlakken de klassieke wet van Snellius (die beschrijft hoe licht breekt) kunt 'herprogrammeren'.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is miniaturisering en integratie van optica. Traditionele lenzenstelsels in bijvoorbeeld smartphonecamera's bestaan uit meerdere gestapelde, gebogen glazen of plastic lenzen om vervorming en kleurfouten te corrigeren. Dat kost ruimte, gewicht en productiestappen. Een metaoppervlak is in principe zo dun als een chip en kan met bestaande halfgeleiderfabrieken (chipfabs) in grote aantallen tegelijk geproduceerd worden, net zoals processoren. Dat maakt goedkope massaproductie van optische componenten denkbaar.
Daarnaast biedt de techniek functies die met klassieke optica lastig of onmogelijk zijn: licht met verschillende polarisatierichtingen apart verwerken, meerdere optische functies (zoals scherpstellen én filteren) in één laagje combineren, of ultracompacte sensoren maken voor plekken waar geen ruimte is voor een dikke lens, zoals in kleine drones, medische endoscopen of AR-brillen. Onderzoekers hopen zo de grens te verleggen van 'optica als apart, log onderdeel' naar 'optica als geïntegreerd chiponderdeel', vergelijkbaar met hoe elektronica steeds kleiner werd.
Voorbeelden uit de praktijk
Harvard's eerste zichtbare-lichtmetalens (2016) — De groep van Federico Capasso demonstreerde in het tijdschrift Science een metalens die zichtbaar licht met hoge precisie kon bundelen, met prestaties die begonnen te concurreren met conventionele microscooplenzen. Dit gold als een belangrijk omslagpunt: eerdere metalenzen werkten vooral met infrarood licht.
Metalenz (opgericht 2017, Boston) — Dit spin-offbedrijf van Harvard was een van de eerste dat metaoppervlakken daadwerkelijk commercieel op de markt bracht. Het bedrijf ontwikkelde onder meer sensorchips die polarisatie van licht kunnen meten, met toepassingen in 3D-gezichtsherkenning en objectdetectie, en werkte samen met chipfabrikanten om productie op bestaande halfgeleiderlijnen mogelijk te maken.
NIL Technology (Denemarken) — Dit bedrijf ontwikkelt nanoprint-technieken om metaoppervlakken goedkoop en op grote schaal te produceren, onder meer voor de lichtgeleiders (waveguides) die in augmented-reality-brillen worden gebruikt om digitale beelden voor de ogen van de gebruiker te projecteren.
DARPA's onderzoeksprogramma's — Het Amerikaanse defensieonderzoeksagentschap DARPA financierde in de jaren 2010 meerdere programma's gericht op 'platte optica' en metaoppervlakken, met als doel lichtgewicht camera- en sensorsystemen voor bijvoorbeeld vliegtuigen en satellieten, waar gewicht en volume cruciaal zijn.
Onderzoek naar AR/VR-lichtgeleiders — Meerdere onderzoeksgroepen en bedrijven, waaronder partijen verbonden aan Meta's Reality Labs, experimenteren met metaoppervlak-achtige nanostructuren om de compacte, lichte lichtgeleiders in AR-brillen te verbeteren, al is dit werk voor een groot deel nog niet publiek in detail bevestigd.
Hoe ver is de techniek?
Metaoppervlakken zijn geen toekomstmuziek meer: eenvoudige, kleine varianten — met name voor infraroodsensoren en polarisatiedetectie in nichetoepassingen zoals biometrische beveiliging of industriële sensoren — zijn al commercieel verkrijgbaar. Het gaat dan vooral om kleine chips met een beperkte lensopening (aperture), waar de techniek haar sterke papieren toont.
Voor bredere toepassing, zoals het vervangen van complete lenzenstelsels in smartphonecamera's, is de techniek nog niet zover. Het grootste technische obstakel is chromatische aberratie: licht van verschillende kleuren (golflengtes) wordt door een simpel metaoppervlak niet automatisch op hetzelfde punt gebundeld, wat vervormde of onscherpe kleurbeelden geeft. Er bestaan al 'achromatische' metalenzen die dit probleem verminderen, maar vaak ten koste van lichtopbrengst (efficiëntie), beeldveld of de maximale grootte van de lens. Grote lenzen met een groot gezichtsveld, zoals nodig voor professionele camera's, blijven bovendien lastig te ontwerpen omdat het aantal te berekenen nanostructuren enorm toeneemt met de oppervlakte.
Een tweede knelpunt is opschalen van productie tegen lage kosten zonder kwaliteitsverlies: de nanostructuren moeten met extreme precisie (op nanometerschaal) gemaakt worden over grote oppervlakken, wat hoge eisen stelt aan lithografieapparatuur. Toch is dit een van de sterke kanten van het veld: omdat de fabricagemethoden sterk lijken op die van computerchips, kunnen bestaande chipfabrieken relatief eenvoudig worden ingezet, wat de weg naar massaproductie potentieel korter maakt dan bij veel andere nieuwe materiaaltechnologieën.
Wie werken eraan?
Het onderzoeksveld wordt sterk gedomineerd door een aantal universitaire groepen. Harvard University (de groep van Federico Capasso) geldt als een van de pioniers en bakermat van veel fundamenteel werk. Caltech, met onder meer de groep van Andrei Faraon, en Purdue University, met onderzoekers als Alexandra Boltasseva en Vladimir Shalaev, behoren eveneens tot de vooraanstaande Amerikaanse centra. In Australië speelt RMIT University (groep van Dragomir Neshev) een prominente rol, en in Zuid-Korea is POSTECH een belangrijk centrum voor metaoppervlak-onderzoek.
Op het gebied van toepassing en productie is het Belgische onderzoeksinstituut imec actief, dat metaoppervlak-fabricage koppelt aan bestaande chipproductietechnieken. Op bedrijfsniveau is Metalenz het meest zichtbare voorbeeld van commercialisering, met samenwerkingen met grotere chip- en sensorbedrijven om hun ontwerpen daadwerkelijk in productie te nemen. Het Deense NIL Technology richt zich op productietechnieken voor onder meer AR-toepassingen. In de Verenigde Staten heeft DARPA via meerdere programma's fundamenteel onderzoek gefinancierd, wat de ontwikkeling van het veld sterk heeft gestimuleerd.