Optische Wellenfronten in Echtzeit geformt

  • 10. October 2013

Laserlicht fokussiert sich nach Durchqueren eines trüben Mediums von selbst.

Läuft ein Lichtstrahl durch ein trübes, inhomogenes Medium, so wird er gestreut und dabei normalerweise aufgeweitet. Dem kann man entgegenwirken, indem man die Wellenfronten des einfallenden Lichtstrahls geeignet formt, sodass dieser nach Durchqueren des Mediums fokussiert ist. Die Pixel der dazu bisher verwendeten Lichtmodulatoren hatten eine elektronische Steuerung. Ein wesentlich schnelleres Verfahren haben jetzt Forscher in Israel entwickelt. Dabei bündelt sich ein Laserstrahl, der einen Lichtdiffuser passiert, von selbst.

Abb.: Die angeregten Lasermoden (rot, grün und blau) überlagern sich zu einem Laserstrahl, der trotz der Wirkung des lichtstreuenden Mediums an der Lochblende fokussiert ist. (Bild: M. Nixon et al., NPG)

Abb.: Die angeregten Lasermoden (rot, grün und blau) überlagern sich zu einem Laserstrahl, der trotz der Wirkung des lichtstreuenden Mediums an der Lochblende fokussiert ist. (Bild: M. Nixon et al., NPG)

Für ihr Verfahren nutzen Nir Davidson und seine Mitarbeiter am Weizmann Institute of Science in Rehovot die selbsttätige Modenselektion in einem entarteten Resonator, in dem sich viele Tausend verschiedene Lasermoden anregen lassen. Dazu brachten sie zwischen die beiden flachen Spiegel des Resonators der Reihe nach einen Lichtdiffuser, ein optisch gepumptes laseraktives Nd-YAG-Medium, eine Linse sowie eine 1 mm große Lochblende und eine zweite Linse. Lochblende, zweite Linse und zweiter Spiegel bildeten zusammen ein knapp millimetergroßes lichtreflektierendes Target.

Über das laseraktive Medium wurden zunächst viele Lasermoden gleichberechtigt angeregt. Ihr Licht durchlief den Diffuser, der erste Spiegel reflektierte es, es passierte den Diffuser erneut, durchquerte das Lasermedium sowie die erste Linse und traf auf das millimetergroße Target, von dem es zum Lasermedium zurück lief. Indem die Lasermoden im Lasermedium ihre Frequenzen und Phasen aufeinander abstimmten, erhielt diejenige Lichtfeldkonfiguration eine besonders große Verstärkung, die vom Target am besten reflektiert wurde, weil sie dort stark fokussiert war. Das so geformte Lichtfeld überschritt die Laserschwelle als erstes, sodass der entstehende Laserstrahl trotz der Wirkung des Diffusers am Target gebündelt ankam.

Die Güte der Fokussierung machten die Forscher dadurch sichtbar, dass sie mit einem zwischen der ersten Linse und dem Target befindlichen Strahlteiler Licht zu einer CCD-Kamera lenkten. In dem weniger als 1 mm großen Brennfleck war die Lichtintensität etwa 80-mal höher als in seiner Umgebung. Die Lichtwellenfronten waren durch den Laserprozess so geformt, dass die Wirkung des Diffusers kompensiert wurde. Hingegen weitete der Diffuser einen ungeformten Lichtstrahl so stark auf, dass er sich nur auf einen zentimetergroßen Fleck bündeln ließ.

Abb.: (a) Die durch den Diffuser aufgeweitete ebene Lichtwelle lässt sich auf herkömmliche Weise nur unzureichend fokussieren. (b) Durch Laserrückkopplung entsteht trotz Diffuser ein winziger Brennfleck. Balkengröße: 1 mm.  (Bild: M. Nixon et al., NPG)

Abb.: (a) Die durch den Diffuser aufgeweitete ebene Lichtwelle lässt sich auf herkömmliche Weise nur unzureichend fokussieren. (b) Durch Laserrückkopplung entsteht trotz Diffuser ein winziger Brennfleck. Balkengröße: 1 mm. (Bild: M. Nixon et al., NPG)

Durch den Laserprozess kam es zu einer Rückkopplung, die dasjenige Lichtfeld auswählte, das trotz der Streuung durch den Diffuser am besten auf das Target fokussiert war. Die Fokussierung war dadurch sehr stabil und blieb auch dann noch bestehen wenn man den Diffuser verschob oder den hinter ihm befindlichen Spiegel innerhalb des Streuwinkels des Diffusers verkippte. War hingegen kein Diffuser im Resonator, so musste man die Resonatorspiegel sehr genau ausrichten, um optimale Laserleistung zu erzielen.

Die Rückkopplung durch den Laserprozess war sehr schnell und spielte sich innerhalb von Nanosekunden ab, während herkömmliche Techniken zur Formung von Wellenfronten mittels opto-elektronisch rückgekoppelter Lichtmodulatoren Millisekunden benötigen. Die Schnelligkeit ihres Verfahrens demonstrierten Davidson und seine Mitarbeiter, indem sie den Diffuser schnell rotieren ließen, sodass er sich mit Geschwindigkeiten von einigen 10 m/s durch den Laserstrahl bewegte. Das beeinträchtigte die Fokussierung des Strahls kaum. Die Intensität des Brennflecks verringerte sich um höchstens 20 %, was aber nicht an der Reaktionszeit der Rückkopplung sondern an experimentellen Unzulänglichkeiten lag.

Das neue Verfahren zur schnellen Formung von optischen Wellenfronten hat viele mögliche Anwendungen. So ließe sich mit ihm die störende Wirkung von atmosphärischen Turbulenzen in der direkten optischen Kommunikation verringern, indem man den Resonator in zwei Teile zerlegt und auf den Sender und den Empfänger aufteilt. Außerdem könnte man mit dem Verfahren schnelle Vorgänge in lichtstreuenden Materialien untersuchen. Schließlich gibt es auch interessante Anwendungsmöglichkeiten in der Biologie und der Medizin, etwa bei der Fokussierung von Licht durch eine lichtstreuende Hautschicht. Dabei könnte das biologische Gewebe selbst als Lasermedium zum Einsatz kommen.

Rainer Scharf

PH

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