Speckle-freie Laserabbildung

  • 03. May 2012

Zufallslaser beleuchtet Objekt ohne störende Kohärenzartefakte.

Abbildungen von hoher Qualität lassen sich mit einem Zufallslaser als extrem heller und nicht funkelnder Lichtquelle erzeugen, wie Forscher von der Yale University gezeigt haben.

Unterschiedlich körnige Abbildungen eines Testbildes, die je ein breitbandiger (oben), schmalbandiger (Mitte) Laser und ein Zufallslaser (unten) erzeugten

Abb.: Unterschiedlich körnige Abbildungen eines Testbildes, die je ein breitbandiger (oben), schmalbandiger (Mitte) Laser und ein Zufallslaser (unten) erzeugten. Der Maßstab (jeweils links unten) entspricht 50 µm. (Bild: Redding et al. / Nat. Photon.)

Die Qualität einer optischen Abbildung hängt nicht zuletzt von der richtigen Beleuchtung des abzubildenden Objekts ab. In vielen Fällen benötigt man dazu eine möglichst helle Lichtquelle, die das Objekt gleichförmig ausleuchtet. Laserstrahlung ist zwar sehr intensiv, doch mit der Gleichförmigkeit ist es nicht weit her. Weitet man einen Laserstrahl durch ein mattes Glas oder mit Hilfe rauen Oberfläche auf, so zeigt das Licht ein charakteristisches Funkeln. Es tritt eine „körnige“ Intensitätsverteilung oder ein Speckle-Muster auf.

Für das Speckle-Muster ist die hohe räumliche Kohärenz des Laserlichts verantwortlich. Unterschiedliche Teilwellen des Lichts, die an weit voneinander entfernten mikroskopischen Inhomogenitäten im Glas oder auf der Oberfläche gestreut wurden, können bei ihrem Zusammentreffen miteinander interferieren. Da sie weitgehend zufällige Phasen haben, entsteht am Ort des beleuchteten Objekts eine Intensitätsverteilung, die zufällig verteilte, mehr oder weniger helle Lichtpunkten aufweist. Eine gleichmäßige Ausleuchtung des Objekts ist so nicht möglich.

Doch es gibt einen Ausweg. Hui Cao und ihre Mitarbeiter an der Yale University hatten bei Doppelspaltexperimenten mit einem Zufallslaser beobachtet, dass dessen Licht nur eine sehr geringe räumliche Kohärenz aufwies. Jetzt haben sie untersucht, ob sich dieser Laser als intensive speckle-freie Lichtquelle zur Erzeugung von optischen Abbildungen eignet.

Der Zufallslaser bestand aus einer kolloidalen Lösung von 240 nm großen Polystyrolkügelchen in Diethylenglycol, in der der Laserfarbstoff Rhodamin 640 gelöst war. Diese Lösung wurde mit einem Nd:YAG-Laser optisch angeregt, der eine Wellenlänge von 532 nm hatte und pro Sekunde zehn Lichtpulse mit einer Länge von jeweils 30 ps abgab. Die vom angeregten Farbstoff emittierte Laserstrahlung wurde vielfach von den Polystyrolkügelchen reflektiert, wodurch sie ihre räumliche Kohärenz verlor.

Die Strahlung des Zufallslasers schickten die Forscher durch eine lichtstreuende Schicht, bestehend aus einer Glasplatte, die mit 20 nm großen Titandioxidpartikeln beschichtet war. Die Verteilung der Lichtintensität in der Objektebene, die in geringem Abstand hinter der Platte lag, ermittelten Hui Cao und ihre Mitarbeiter mit Hilfe einer CCD-Kamera.

Wie sich zeigte, war die Intensitätsverteilung völlig homogen. Eine ähnlich homogene Verteilung ergab sich, wenn statt des Zufallslasers eine Leuchtdiode benutzt wurde. Hingegen erzeugten sowohl ein schmalbandiger Helium-Neon-Laser als auch ein breitbandiger Titan:Saphir-Laser stark inhomogene Intensitätsverteilungen mit einem ausgeprägten Speckle-Muster.

Mit diesen unterschiedlichen Lichtquellen stellten die Yale-Forscher Abbildungen eines detailreichen Objekts her: eines zur Messung der optischen Auflösung benutzten lichtdurchlässiges Testbildes. Dabei hielten sie das Testbild zunächst hinter die lichtstreuende Schicht, sodass es von dem Licht beleuchtet wurde, dessen Intensitätsverteilung zuvor gemessen worden war. Während der Zufallslaser und die Leuchtdiode vergleichbar gute Abbildungen des Testbildes erzeugten, waren die mit dem breit- bzw. dem schmalbandigen Laser hergestellten Abbildungen deutlich bzw. erheblich schlechter.

In einem zweiten Experiment wurde das Testbild vor die lichtstreuende Schicht gehalten, sodass es direkt vom Laser bzw. von der Diode beleuchtet wurde. Die lichtstreuende Schicht brachte dann solche Lichtwellen zusammen, die von unterschiedlichen Punkten des Testbildes ausgingen, und ließ sie interferieren. Im Falle der breit- oder schmalbandigen Laser mit ihrer hohen räumlichen Kohärenz führte dies dazu, dass die aufgenommenen Abbildungen fast keine Spuren der Strukturen des Testbildes erkennen ließen. Die mit der Leuchtdiode oder dem Zufallslaser gemachten Abbildungen gaben das Testbild hingegen detailreich wieder.

Wegen der geringen Pulsfrequenz des Zufallslasers war seine Lichtintensität recht klein, sodass die mit ihm gewonnenen Bilder nicht besser waren als die mit der Leuchtdiode erzeugten. Doch einige Zufallslaser hat man schon mit Pulsfrequenzen von bis zu 82 MHz oder sogar kontinuierlich betrieben. Mit solch intensiven aber räumlich inkohärenten Lichtquellen sollten speckle-freie Abbildungen von sehr hoher Qualität möglich sein, für die es zahlreiche Anwendungen gibt.

Rainer Scharf


OD

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