Rotierendes Glaskügelchen als Lichtventil

  • 28. June 2018

Neuartiges Bauelement lässt in Sperrrichtung fast kein Licht mehr durch.

Ein optisches Bauelement, das das Licht nur in eine Richtung durchlässt und in der anderen nahezu vollständig blockiert, haben Forscher in Israel entwickelt. Dabei nutzten sie einen rotierenden optischen Resonator sowie eine Technik, die bei den Lese­köpfen von Computer­festplatten eingesetzt wird. Normalerweise ändert sich der Brechungsindex einer licht­durch­lässigen Substanz nicht, wenn man den Licht­weg umkehrt. Deshalb lässt solch eine Substanz das Licht in beiden Richtungen gleich gut durch. Wie man dennoch ein Material mit „irreversibler“ Licht­brechung herstellen kann, lehrt die Akustik. Hier hatte man mit rotierenden mechanischen Komponenten akustische Gleich­richter hergestellt, die den Schall in eine Richtung durchlassen, in die Gegen­richtung jedoch nicht.

Abb.: Kommt das Licht von links (a), so verfehlt es die rotverschobene Resonanz­frequenz und kann die Glas­faser passieren. Kommt das Licht von rechts (b), so trifft es die blau­verschobene Resonanz­frequenz und wird stark abgeschwächt. (Bild: S. Maayani et al., NPG)

Abb.: Kommt das Licht von links (a), so verfehlt es die rotverschobene Resonanz­frequenz und kann die Glas­faser passieren. Kommt das Licht von rechts (b), so trifft es die blau­verschobene Resonanz­frequenz und wird stark abgeschwächt. (Bild: S. Maayani et al., NPG)

Mit solchen rotierenden Komponenten könnte man auch einem optischen Bau­element eine Vorzugs­richtung geben und es zu einem Licht­ventil machen. Allerdings sind dazu erhebliche technische Schwierigkeiten zu überwinden. Zum einen sind große Rotations­frequenzen im Kilohertz-Bereich erforderlich, zum anderen muss das Licht, das durch eine ruhende Glas­faser heran­geführt wird, effizient in die rotierende Komponente eingekoppelt werden.

Tal Carmon vom Technion in Haifa, Israel, und seine Kollegen haben diese technischen Probleme jetzt überwunden und ein sehr effizientes Licht­ventil für Infrarot­strahlung gebaut. Die zentrale Komponente ist eine milli­meter­große Quarz­glas­kugel als optischer Resonator, die mit einer Frequenz von bis zu 6,5 Kilohertz rotierte. Das Infrarot­licht mit einer Wellenlänge von 1,55 Mikrometer wurde von einem abstimm­baren Laser erzeugt und durch eine extrem dünne Glas­faser an die rotierende Kugel heran­geführt.

Die Glasfaser schwebte dabei wenige Nano­meter hoch über der Kugel­oberfläche. Wie die Lese­köpfe einer Computer­festplatte wurde sie von der Luft­strömung, die das rotierende Teil erzeugte, in einer konstanten Höhe gehalten. Kam sie der Kugel zu nahe, so verstärkte sich die Luft­strömung und trieb die Faser wieder hoch. Entfernte sie sich zu weit von der Kugel, so nahm die Luft­strömung ab und die mechanische Spannung der Faser brachte sie wieder auf den richtigen Abstand.

Abb.: Im gewählten Frequenzbereich (grüner Streifen) wird das in Rotations­richtung laufende Licht (blaue Kurve) durchgelassen, während das in Gegen­richtung laufende Licht (rote Kurve) stark abgeschwächt wird. (Bild: S. Maayani et al., NPG)

Abb.: Das Lichtventil besteht aus einer rotierenden Glaskugel und einer extrem dünnen Glasfaser, die im Nanometerabstand waagerecht an der Kugel vorbeiläuft. (Bild: N. Zohar)

Aufgrund des geringen Abstandes zwischen der Glasfaser und der Kugel koppelte das evaneszente elektro­magnetische Feld der licht­durchflossenen Faser an die Flüster­galerie­moden der Kugel. In einer solchen Mode lief das Licht in der Kugel um, indem es an der Innen­wand der Kugel total reflektiert wurde. Diese Anregung erfolgte jedoch nur für resonante Licht­frequenzen, für die das Licht in der Kugel eine stehende Welle bilden konnte.

Hatte das Licht in der Glasfaser eine Frequenz nahe einer solchen Resonanz­frequenz, so regte es die entsprechende Flüster­galerie­mode an und wurde dadurch stark abgeschwächt. Die Transmission des Lichtes durch die Faser fiel dabei vom Wert 1 auf einen kleinen Wert nahe 0. War die Licht­frequenz hinreichend weit von der entsprechenden Resonanz­frequenz entfernt, so konnte das Licht die Resonator­mode nicht anregen. Es wurde dann auch nicht abgeschwächt, und die Transmission durch die Glas­faser blieb bei 1.

Rotierte die Glaskugel, so verschoben sich die Resonanz­frequenzen aufgrund des Doppler-Effekts. Lief das Licht in der Glasfaser der rotierenden Kugel­oberfläche entgegen, so erschien die entsprechende Resonanz­frequenz blau­verschoben. Kam das Licht aus der entgegen­gesetzten Richtung, so war die Resonanz­frequenz rot­verschoben.

Rotierte die Kugel schnell genug, so war der Abstand zwischen der rot- und der blau­verschobenen Resonanz­frequenz größer als die Breite der Resonanzen. In diesem Fall konnte man die Frequenz des Lichts in der Glas­faser so wählen, dass sie nur die blau­verschobene Resonanz traf, nicht aber die rot­verschobene. Folglich regte das aus der einen Richtung kommende Licht die blau­verschobene Resonanz an und wurde dadurch stark abgeschwächt, während das Licht aus der Gegen­richtung keine Abschwächung erfuhr.

Im Zusammenspiel mit der rotierenden Kugel wirkte die Glas­faser wie ein Licht­ventil, das das Licht aus einer Richtung vollständig durch­ließ, aber aus der anderen Richtung zu 99,6 Prozent blockierte. Da das Licht von der Faser und der Kugel praktisch nicht zurück­gestreut wurde, erfolgte die Licht­ausbreitung in den beiden Richtungen unabhängig voneinander. So konnte das Licht­ventil aus beiden Richtungen kommendes Licht gleich­zeitig blockieren und durchlassen.

Die Forscher sind zuversichtlich, mit ihrer Methode auch ein Licht­ventil für einzelne Photonen herstellen zu können. Dazu sollten für die Glas­fasern „Flughöhen“ im Nanometer­bereich ausreichen. Bei geringeren Abständen von etwa dreihundert Femto­metern würden sich abstoßende Van-der-Waals-Kräfte bemerkbar machen, die die Kugel und die Glas­faser auf Distanz halten.

Rainer Scharf

DE

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