Eine Nanolinse zum Vergrößern oder Verkleinern von Lichtspektren

Eine Nanolinse zum Vergrößern oder Verkleinern von Lichtspektren
Eine optische Linse wird gewöhnlich dazu benutzt, ein vergrößertes oder verkleinertes
Abbild eines Gegenstandes zu erzeugen. Beispielsweise lässt sich mit einer Lupe die
Schrift auf einer Briefmarke besser entziffern. Solche herkömmlichen Linsen
vergrößern oder verkleinern also räumliche Strukturen. Nun jedoch ist es
Wissenschaftlern des Fritz-Haber-Instituts (FHI) in Berlin, des Instituts für Atom- und
Molekülphysik (AMOLF) in Amsterdam und der Universität von St. Andrews
(Schottland) gelungen, eine sogenannte Spektrallinse zu konstruieren. Diese Linse ist in
der Lage, das Spektrum eines einfallenden Lichtpulses auseinanderzuziehen oder
zusammenzupressen (siehe linke Abbildung). So könnte man etwa weißes Licht, das sich
aus allen Spektralfarben von Rot bis Blau zusammensetzt, in Licht umwandeln, das nur
noch blaue Bestandteile enthält. Dieser Prozess lässt sich umkehren, und zwar ohne
Verlust von Information.
Wie funktioniert nun solch eine Spektrallinse? Um das Spektrum eines einfallenden
Lichtstrahls zu verkleinern, muss man die Frequenz des Lichts erhöhen, und zwar so, dass die
niedrigen Frequenzkomponenten stärker verschoben werden als die hohen (siehe linke
Abbildung). „Anschaulich gesprochen muss die Farbe der blauen Lichtanteile stärker
verändert werden als die der roten.“, erklärt Daryl Beggs vom AMOLF Amsterdam.
Das erreicht man mit einer Siliziummembran, die mit einem Muster von nur wenige hundert
Nanometer großen Löchern perforiert ist (Abbildung rechts). In der Mitte der Membran fehlt
eine Reihe dieser Löcher, und diese Reihe nutzt man als Lichtleiter mit besonderen
Eigenschaften. Er hat eine Länge von nur einer Haaresbreite. Koppelt man nun einen
Lichtpuls (Testpuls) in diesen Leiter ein, läuft er entlang der Reihe fehlender Löcher.
Interessanterweise bleiben dabei die höheren (blauen) Frequenzen im Zentrum des Leiters
konzentriert, während die niedrigen (roten) Frequenzen weit in die angrenzenden, mit
Löchern perforierten Bereiche eindringen.
Nun stört man das Licht in dieser Struktur, indem man einen sehr intensiven Lichtpuls, den
sogenannten Kontrollpuls, von oben einstrahlt (siehe rechte Abbildung). „Der entscheidende
Trick ist dabei, den Kontrollpuls von der Mitte des Lichtleiters und damit von den blauen
Lichtanteilen fernzuhalten.“, erläutert Tobias Kampfrath vom FHI Berlin. Dies erreicht man
mit einem schmalen Goldstreifen, der über dem Lichtleiter aufgebracht wird und den
Kontrollpuls in diesem Raumbereich zurückreflektiert. Somit werden nur die roten
Lichtanteile vom Kontrollpuls gestört, und ihre Farbe wird in Richtung der blauen
Lichtanteile verschoben (siehe linke Abbildung). Mit anderen Worten: Das Spektrum des
Lichtpulses wird zusammengedrückt, und man hat eine verkleinernde Spektrallinse
konstruiert. Die Wirkung der Linse lässt sich überprüfen, in dem man das Spektrum des
Lichtes misst, das den Lichtleiter an seinem Ende verlässt.
Eine vergrößernde Spektrallinse lässt sich ganz ähnlich realisieren: Hier wählt man die
geometrischen Details des Lochmusters in der Siliziummembran so, dass nun blaues Licht
weit in die perforierten Bereiche eindringt, während rotes Licht in der Mitte des Lichtleiters
konzentriert bleibt. Infolgedessen wird der Kontrollpuls nur das blaue Licht stören und weiter
in Richtung Blau verschieben. Das Spektrum des Testpulses wird auseinandergezogen.
Vergrößernde Spektrallinsen könnten etwa die Auflösung von optischen Spektrometern
verbessern, während eine verkleinernde Linse die Frequenzbandbreite eines Signals im
Mobilfunk reduzieren könnte.
Mit ihrer ersten Spektrallinse vermochten die Wissenschaftler das Spektrum eines Lichtblitzes
um 12% zu verkleinern. Nach Optimieren des Lichtleiters sollten aber noch deutlich stärkere
Verkleinerungen erreicht werden.
D. M. Beggs,T. F. Krauss, L. Kuipers, and T. Kampfrath, Phys. Rev. Lett. 108, 033902
(2012)
URL: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.108.033902.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.033902
Eine Linse für das Fokussieren von Lichtspektren. Links: Prinzip der Spektrallinse. Ein Lichtpuls wird in die
Linse eingebracht, die dessen anfänglich breites Frequenzspektrum (rot dargestellt) zu einem schmaleren
Spektrum (blau) komprimiert. Bei diesem Prozess werden die tieferen Lichtfrequenzen (entsprechend den roten
Spektralfarben) stärker erhöht als die höheren Frequenzen (blaue Spektralfarben). Rechts: Konstruktion der
Spektrallinse. Ein Testpuls wird in einen Lichtleiter eingekoppelt, den man sich als eine fehlende Reihe von
Löchern in einer perforierten Siliziummembran vorstellen kann. Dabei dringen die roten Spektralanteile des
Lichtpulses tief in die perforierten Bereiche ein, während die blauen Anteile in der Mitte des Lichtleiters
konzentriert bleiben. Nun stört ein intensiver Kontrollpuls das Testlicht, allerdings nur dessen rote
Spektralanteile, weil die blauen Anteile von einem dünnen Goldstreifen vor dem Kontrollpuls geschützt werden.
Infolgedessen werden nur die roten Lichtanteile beeinflusst und zu höheren Frequenzen (d. h. blauen
Spektralfarben) verschoben, ganz so, wie im linken Bild dargestellt.
Weitere Informationen erhalten Sie von
Dr. Tobias Kampfrath
Te.: ++49-30-8413 5222
E-Mail: [email protected]