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Die Miniaturisierung vieler elektronischer Geräte hat im Laufe der Jahre dazu geführt, dass sie deutlich kleiner geworden sind als ihre Vorgänger. Bei vielen Geräten konnte durch die Miniaturisierung elektronischer Komponenten (Batterien, Schaltkreise usw.) bis in den Mikrometer- und dann in den Nanometerbereich die Gesamtgröße des Geräts bei gleichzeitig hoher Effizienz drastisch reduziert werden.

Doch Geräte mit optischen Komponenten lassen sich naturgemäß schwieriger miniaturisieren und optimieren, denn die verwendeten Materialien müssen sehr hochwertig sein, und die Geräte selbst müssen äußerst präzise sein. In den letzten zehn Jahren hat die Verwendung von Nanomaterialien in optischen und photonischen Bauelementen erheblich zugenommen. Sie kommen heute in allen Bereichen zum Einsatz, von optischen Beschichtungen auf Linsen bis hin zu Photodetektoren, Polarisatoren und vielen anderen Komponenten.

Typische Eigenschaften von Nanomaterialien

Nanomaterialien haben viele verschiedene Eigenschaften, mit denen sie Licht absorbieren, reflektieren und so manipulieren können, dass es die gewünschte Wirkung erzielt. Diese Eigenschaften werden für verschiedene optische und photonische Bauelemente (sowie für Geräte mit optischen Komponenten) genutzt.

Nanomaterialien sind von Natur aus so klein, dass die heutigen Komponenten und Geräte, in denen sie verwendet werden, kleiner sind als ihre ursprünglichen großen Pendants. Doch nicht nur die geringe Größe, sondern auch die große aktive Oberfläche vieler Nanomaterialien kann genutzt werden, um die Eigenschaften von Licht zu manipulieren und zu verändern. So werden in elektronischen Geräten viele optische Komponenten eingesetzt, wobei für Geräte, die sowohl optische als auch elektronische Funktionen übernehmen (z. B. optoelektronische Geräte), hochleitfähige Materialien verwendet werden müssen. Viele Nanomaterialien besitzen eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit, die man sich zunutze machen kann. Auch die Abriebfestigkeit und Robustheit vieler Nanomaterialien sind vorteilhaft. Sie verhindern, dass empfindliche optische Komponenten beschädigt werden, wodurch sich wiederum die optische Effizienz der Komponenten verändern würde.

Eine weitere wichtige Eigenschaft von Nanomaterialien im Bereich Optik und Photonik ist die starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie und somit die effiziente Interaktion der optischen Komponenten mit den Lichtwellen. Viele Nanomaterialien besitzen auch ein breites optisches Ansprechverhalten und schnelle Relaxationszeiten – und einige sind effizient genug, um in Terahertz-Technologien eingesetzt zu werden. Selbst wenn die optischen Komponenten in Nanogröße bleiben und somit als eigenständige Nanokomponenten und nicht als Teil einer größeren Komponente verwendet werden, lassen sie sich problemlos in andere, größere optische Komponenten integrieren.

Optische Technologien

Nanomaterialien können bei optischen Komponenten in vielen Bereichen zum Einsatz kommen. Sie reichen von Bauelementen, bei denen die optischen Eigenschaften ausschlaggebend für die Funktion sind, über Komponenten, die in nicht-optischen Geräten verwendet werden, bis hin zu optischen Beschichtungen, die zum Schutz und zur Verbesserung der optischen Eigenschaften eines Geräts dienen.

In vielen elektronischen Geräten und großtechnischen Anlagen werden Linsen verwendet. Für eine vollständige Herstellung aus Nanomaterialien sind Linsen in der Regel zu groß. Es können jedoch Nanostrukturen von verschiedenen Materialien in Linsen eingearbeitet oder aufgebracht werden, um die optische Leistung und Robustheit der Linse zu verbessern. Ein weit verbreitetes Verfahren ist hierbei der Einsatz von Beschichtungen auf Nanomaterialbasis (oder spezielle dünne Filme für Hightech-Anwendungen). Dadurch lassen sich auch die Leistung und die Abriebfestigkeit/Robustheit der Linse verbessern, ohne dass hierfür das Nanomaterial direkt in die Linse eingebracht werden muss. Dieser Ansatz ist kostengünstiger, da Standardlinsen verwendet werden können, die wesentlich preiswerter sind (kleinere Beschichtungen sind häufig nicht sehr kostspielig). Durch die Verwendung von Beschichtungen erhält die Linse außerdem besondere Merkmale, wie beispielsweise Entspiegelungseigenschaften.

Für einfache Linsen sind zwar in der Regel keine Nanomaterialien erforderlich, aber der Einsatz von Nanostrukturen in den Linsen sowie von Beschichtungen/Dünnschichten kann neben grundlegenden Leistungs- und Optikverbesserungen auch die Eigenschaften der Linse erheblich verändern. Häufig wird aus einer Linse ein hochwirksamer optischer Filter oder ein optischer Polarisator, die beide in zahlreichen Technologien eingesetzt werden.

Daneben werden Nanomaterialien auch in optischen Resonatoren, sättigbaren Absorbern und optischen Schaltern für ultraschnelle Laser sowie in CMOS-Sensoren (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), in optischen Biosensoren zum Nachweis verschiedener Biomoleküle und in mobilen optischen Technologien eingesetzt.

Photonische Technologien

Viele Bereiche der Optik und der Photonik überschneiden sich, da sich beide mit Licht befassen. Allerdings gibt es einige spezifische Bereiche, in denen Nanomaterialien nur in photonischen Anwendungen eingesetzt werden (z. B. im Bereich Verarbeitung und Erkennung von Licht und nicht bei der Manipulation von Licht, die bei vielen optischen Komponenten eine Rolle spielt).

Entwickler können photonische Nanostrukturen auch in verschiedene Linsen integrieren. Wie bei vielen optischen Linsen, die durch Nanomaterialien verbessert werden, können photonische Nanostrukturen auch die Leistung von Mikroskopen optimieren. Ein weiterer großer Bereich der Nanophotonik sind Photodetektoren, da die elektromagnetischen Absorptionseigenschaften vieler Nanomaterialien hocheffiziente Photodetektoren möglich machen, die in zahlreichen Technologien, wie beispielsweise Computern, zum Einsatz kommen. Da viele Nanomaterialien ein breites Absorptionsspektrum haben, können solche Photodetektoren zudem ultraviolettes (UV), infrarotes (IR) und Photonen des sichtbaren Lichts erfassen.

Nanomaterialien werden zur Herstellung zahlreicher Komponenten im Bereich der Lichtwellenleiter verwendet. Dazu zählen beispielsweise optische Filter und Bragg-Gitter, die entweder eigenständig in Glasfaserkabeln verwendet oder für die Fertigung anderer Komponenten, wie z. B. faseroptische Anemometer, eingesetzt werden. Viele Nanomaterialien werden für die Herstellung unterschiedlicher Elemente von Glasfaserkabeln verwendet, da sie eine starke Wechselwirkung mit dem sich ausbreitenden Licht bieten. Zu den weiteren Bereichen, in denen Nanomaterialien zur Herstellung von Bauteilen auf Photonikbasis verwendet werden, zählen beispielsweise auch faseroptische Rectennas (gleichrichtenden Antennen) zur Umwandlung elektromagnetischer Wellen in Gleichspannung, moderne Geräte zur magnetischen Aufzeichnung und Möglichkeiten zur Verbesserung der Lichtintensität in der Spektroskopie und in Solarzellentechnologien.

Fazit

Optische und photonische Technologien haben sich weiterentwickelt. Doch angesichts des großen Bedarfs an hochpräzisen Komponenten ist eine Verbesserung dieser Technologien eine größere Herausforderung als bei vielen anderen Technologien. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Nanomaterialien eingesetzt, weil sie eine starke Wechselwirkung mit Licht haben und die Eigenschaften von Licht beeinflussen können. So werden immer mehr Technologien entwickelt, bei denen optische und photonische Hightech-Komponenten aus Nanomaterialien eingesetzt werden.