Licht in der Schmalspur

  • 04. March 2015

Nichtlineare Effekte in dipolarem Glas füh­ren zu Anti­beu­gungs­effek­ten und extrem schma­len Licht­strahlen.

Beugungseffekte sind für viele optische Anwendungen ein fundamentales Limit und lassen sich oft nur mit nobel­preis­ver­dächtigen Methoden umgehen. Diese Effekte sind etwa für die Aufweitung von Strahlen und Abbildungs­fehler verantwortlich. Umso praktischer ist es, Materialien zu besitzen, die die Beugung nicht nur minimieren, sondern sogar umkehren können. Wissenschaftler aus Italien und Israel haben nun Anti­beugungs­effekte für ein spezielles dipolares Glas nachweisen können. Mit Hilfe eines Temperatur­schocks gelang es ihnen, dieses Kristallglas genau so zu manipulieren, dass es antibeugend wurde und einen Laser­strahl fokussierte, anstatt ihn zu zerstreuen. Damit konnten sie den bislang schmalsten Strahl aus sichtbarem Licht erzeugen.

Mit diesem optischen Aufbau ließ sich der Übergang vom Helmholtz- zum Klein-Gordon-Regime verwirklichen

Abb. 1: Mit diesem optischen Aufbau ließ sich der Übergang vom Helmholtz- zum Klein-Gordon-Regime verwirk­lichen. (Bild: E. DelRe et al.)

Der Clou bei dem Experiment bestand darin, das Verhalten des Ferro­elektrikums so einzustellen, dass sich die Ausbrei­tungs­beding­ungen dieser Laserstrahlen grundlegend veränderten. So pflanzten sich die Strahlen nicht mehr in einer durch die Helmholtz-Gleichung bestimmten Form, sondern in einer durch die Klein-Gordon-Gleichung vorgegebenen Weise fort, die eigentlich die Propagation massereicher Teilchen beschreibt.

Die Forscher verwendeten für ihre Experimente ein dotiertes Ferro­elektrikum: ein zu 0,3 Prozent mit Lithium versetztes Kalium-Tantalat-Niobat. In diesem und ähnlichen Materialien führen polarisierte Nanobereiche zu einem hochgradig polari­sierbaren kristal­linem Glas, das stark nichtlineare Effekte zeigen kann. Das elektro­optische Ansprech­verhalten dieser polarisierten Nanobereiche bewirkt eine Änderung des Brechungsindex, wodurch sich die Lichtwellen in dem Material nun nach der Klein-Gordon-Gleichung ausbreiten.

Um ein stark dielektrisches Verhalten des Kristalls hervorzurufen, ließen die Wissenschaftler ihn mit Hilfe eines Peltier-Elements durch ein genau eingestelltes Temperatur­gefälle laufen. Ausgehend von einer leicht über dem Curie-Punkt von 14,5 Grad Celsius liegenden Temperatur kühlten die Forscher den Kristall erst um wenige Kelvin ab, um die Temperatur dann wieder leicht ansteigen zu lassen. Das Besondere dabei: Auch wenn der Temperatur­schock nur wenige Kelvin betrug, reagierte das Material doch stark genug darauf, um in den Klein-Gordon-Bereich zu gelangen. Die Temperatur­änderung durfte aber auch nicht zu klein sein, sondern musste einen gewissen Schwellenwert überschreiten.

In das Kalium-Tantalat-Niobat schossen die Forscher um Claudio Conti von der Univer­sität Rom La Sapienza entweder einen Helium-Neon-Laser mit 632 Nanometern oder einen Neodym-YAG-Laser mit 532 Nanometern Wellenlänge. Den Laser­strahl expandierten sie zunächst und fokussierten ihn anschließend auf einen schmalen Kreis. Der in x-Richtung polari­sierte Strahl lief dann drei Millimeter durch den Kristall.

Der eintretende Strahl besaß einen Durchmesser von 1,5 Mikrometern. Am Ende des Kristalls war dieser auf 1,3 Mikrometer gesunken. Die Propa­gations­strecke des Laserstrahls entsprach dabei ganzen 134 Rayleigh-Längen. Die Rayleigh-Länge gibt an, wie lange ein Laserstrahl braucht, bis sich seine Quer­schnitts­fläche hinter der Strahltaille verdoppelt hat. Der Radius hat dann ausgehend von diesem Fokuspunkt dement­sprechend um den Faktor Wurzel zwei zugenommen.

Abb. 2: Ohne thermischen Schock kommt es zu einer normalen Beugung (links). Mit Schock kommt es zur Antibeugung, unabhängig vom Winkel.  Bild: E. DelRe et al.

Abb. 2: Ohne thermischen Schock kommt es zu einer normalen Beugung (links). Mit Schock kommt es zur Antibeugung, unabhängig vom Winkel. (Bild: E. DelRe et al.)

Dabei spielte die Orientierung des Kristalls für den Anti­beugungs­effekt keine Rolle: Die Wissen­schaftler beobachteten die gleiche Schrumpfung des Laserstrahls auch nach einer Rotation des Kristalls. Die präzise Einstellung des Temperatur­gefälles war hingegen entscheidend. Ohne ausreichenden thermischen Schock war kein derartiges Verhalten zu beobachten. Im Gegenteil: Der Laserstrahl weitete sich auf und erhellte den gesamten Kristall.

Der Antibeugungseffekt war auch von der Intensität des Laserstrahls unabhängig. Damit könnten sich auch starke Laser­pulse über bislang unerreichte Strecken von einigen Millimetern auf unter einen Mikrometer fokussieren lassen.

Mit diesem und ähnlichen Materialien könnte man nach Ansicht der Forscher verschiedene hochauflösende Optiken weiter optimieren. Insbesondere eröffnen sie neue Möglichkeiten, sperrige Optiken deutlich zu miniatu­risieren. Einen besonderen Vorteil ihres Verfahrens sehen die Wissen­schaftler darin, dass es im Gegensatz etwa zu Meta­materialien nicht von der Wellenlänge oder der Ausbrei­tungs­richtung abhängig ist und auch keine speziellen Resonanzen oder Absorptions­effekte benötigt.

Dirk Eidemüller

OD

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