Spiegel lässt Licht nur für bestimmten Einfallswinkel durch

  • 27. March 2014

Photonischer Kristall besitzt verallgemeinerten Brewster-Winkel für großen Frequenzbereich.

Forscher am MIT haben einen Spiegel mit ungewöhnlichen Eigenschaften entwickelt: Wird der Spiegel langsam gekippt, so reflektiert er das Licht zunächst nahezu vollständig. Doch bei einer bestimmten Stellung erscheint er plötzlich transparent. Für den entsprechenden Einfallswinkel lässt der Spiegel das Licht ungehindert durch. Dahinter steckt ein cleveres Zusammenspiel von Brewster-Winkel und photonischen Bandlücken.

Bei senkrechter Draufsicht reflektiert der Spiegel das Bild der Kamera

Abb.: Bei senkrechter Draufsicht reflektiert der Spiegel das Bild der Kamera. Unter dem Brewster-Winkel betrachtet, ist der Spiegel über das ganze sichtbare Lichtspektrum transparent. (Bild: Y. Shen et al.).

Mit geeigneten Filtern kann man die Ausbreitung des Lichtes in Abhängigkeit von seiner Polarisationsrichtung und seiner Frequenz kontrollieren und steuern. Für die dritte Eigenschaft des Lichtes, seine Ausbreitungsrichtung, gab es bisher keine geeigneten Filter, die unabhängig von Polarisation und Frequenz nur solche Lichtstrahlen durchlassen, die in eine spezielle Richtung zeigen. Jetzt haben Forscher um Yichen Shen und Marin Soljačić vom MIT einen kleinen Spiegel entwickelt, der solch einem universellen Richtungsfilter recht nahe kommt.

Der 2 auf 4 Zentimeter große Spiegel besteht aus einem eindimensionalen photonischen Kristall. Dieser enthält sechs übereinander liegende Schichtstapel aus jeweils sieben Doppelschichten der Materialien Siliziumoxid und Tantaloxid. Die Doppelschichten des obersten Stapels sind 140 Nanometer dick. Von Stapel zu Stapel werden die Doppelschichten immer dicker, sodass sie im untersten Stapel 300 Nanometer messen.

Dank seiner maßgeschneiderten Schichtstruktur besitzt der photonische Kristall viele einander überlagernde Bandlücken, sodass sich in ihm ebene Lichtwellen für einen großen Bereich von Wellenlängen und Ausbreitungsrichtungen nicht fortpflanzen können. Das gilt jedoch nicht für solche Lichtwellen, die unter dem Brewster-Winkel auf die Grenzflächen in den Doppelschichten treffen. Sie können sich unter bestimmten Bedingungen ungehindert ausbreiten.

Die gemessene Transmission des Spiegels für p-polarisiertes Licht

Abb.: Die gemessene Transmission des Spiegels für p-polarisiertes Licht ist nahezu 1 in einem engen Intervall um den Brewster-Winkel von 55 Grad. (Bild: Y. Shen et al.).

Aufgrund der Maxwell-Gleichungen müssen ebene Lichtwellen an den Grenzflächen zwischen den Siliziumoxid- und Tantaloxidschichten bestimmte Grenzbedingungen erfüllen, aus denen man die Fresnelschen Formeln für die Reflexion und Brechung herleitet. Für p-polarisierte Lichtwellen, deren Polarisationsrichtung in der Einfallsebene (aufgespannt von der Ausbreitungsrichtung und der Grenzflächennormalen) liegt, ist bei einem bestimmten Einfallswinkel keine Reflexion möglich. Trifft unter diesem Brewster-Winkel unpolarisiertes Licht auf die Grenzfläche, so muss das reflektierte Licht senkrecht oder s-polarisiert sein. Störende Lichtreflexe kann man deshalb mit einem Polfilter beseitigen.

Der Brewster-Winkel hängt von den Dielektrizitätskonstanten der beiden Schichten ab, die die lichtreflektierende Grenzfläche bilden. Im Falle von Silizium- und Tantaloxid liegt er bei 55 Grad, und zwar nahezu unabhängig von der Wellenlänge des Lichts. Da beide Schichten sichtbares Licht kaum absorbieren, muss das unter dem Brewster-Winkel einfallende p-polarisierte Licht alle Doppelschichten des photonischen Kristalls passieren können, ungeachtet der photonischen Bandlücken, die die Ausbreitung der ebenen Lichtwellen unter anderen Winkeln verhindern.

Die Messungen zeigten, dass dieser Spiegel tatsächlich das Licht für fast alle Einfallsrichtungen nahezu vollständig reflektierte. Nur für p-polarisierte Lichtwellen in einem 8 Grad breiten Winkelintervall um einen Einfallswinkel von 55 Grad war er transparent. Dieses Intervall ließe sich verkleinern, wenn man den richtungsselektiven Spiegel aus einem photonischen Kristall mit einer größeren Zahl von Schichtstapeln fertigen würde.

Kann man auch einen Spiegel herstellen, der ebene Lichtwellen unabhängig von ihrer Wellenlänge und ihrer Polarisation nur für einen bestimmten Einfallswinkel durchlässt? Nach den Berechnungen der MIT-Forscher sollte dies mit Metamaterialien möglich sein, die nicht nur unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten ε haben, sondern auch unterschiedliche magnetische Permeabilitäten µ. Für den Spezialfall ε11ε2=µ2 tritt bei senkrechtem Lichteinfall auf die Grenzfälle aufgrund von Impedanzanpassung keine Reflexion auf. In diesem Fall beträgt der Brewster-Winkel 0 Grad, wodurch der Unterschied zwischen s- und p-polarisierten Lichtwellen hinfällig ist. Ein geeignet strukturierter photonischer Kristall aus solchen Metamaterialien wäre für senkrecht einfallende Lichtwellen transparent, alles übrige Licht würde er reflektieren.

Die MIT-Forscher sehen viele interessante Anwendungsmöglichkeiten für polarisations- und winkelselektive Spiegel. Für einen optisch gepumpten Laser könnte ein Hohlraumresonator, der aus solchen Spiegel besteht, Pumplicht von bestimmter Richtung und Polarisation in sein Inneres lassen, das entstandene Laserlicht hingegen festhalten. Darüber hinaus ließen sich solche Spiegel auch für elektromagnetische Wellen außerhalb des optischen Frequenzbereichs fertigen, ja sogar für Schallwellen und elastische Wellen, für die es so etwas Ähnliches wie einen Brewster-Winkel gibt.

Rainer Scharf

DE

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