Preisträger

Das unsichtbare Licht

Optische Nahfelder erlauben die Abbildung über das Abbe-Limit hinaus.

  • Wolfgang Dieter Pohl
  • 09 / 2013 Seite: 35

Jedes leuchtende Objekt weist neben dem abgestrahlten Fernfeld auch ein Nahfeld auf, das es wie eine dünne Lichthaut umgibt. Dringt eine Metall- oder Glasfaserspitze darin ein, lässt sich das Objekt mit einer viel höheren Auflösung abrastern als mit einem gewöhnlichen ­Mikroskop. Die optische Information ergibt sich dabei aus der Intensität des Streulichts der Spitze. Die optische Rasternahfeldmikroskopie hat stimulierend auf eine Reihe moderner Forschungsgebiete gewirkt, z. B. SERS, Plamonik oder optische Antennen.

Klassische optische Mikroskopie hat nach Ernst Abbe eine Auflösungsgrenze von der Größenordnung λ/2. Da die Wellenlänge λ für sichtbares Licht zwischen ca. 400 nm (blau) und 700 nm (purpurrot) liegt, ist diese Grenze bei Abmessungen von 200 bis 350 nm erreicht. Viele heutzutage wichtige Strukturen, beispielsweise von Zellen oder elektronischen Schalt­elementen, sind jedoch kleiner. Die Abbe-­Grenze lässt sich überwinden, wenn anstelle des optischen Fernfeldes das Nahfeld abgebildet wird. Dies leisten optische Rasternahfeldmikroskope, die Strukturen bis weit in den Nanometer-Bereich abbilden können. Dies erkannte Edward H. Synge intuitiv bereits 1928, was jedoch wieder in Vergessenheit geriet. Erst 40 Jahre später wurde der Effekt mit Radiofrequenzen simuliert  und schließlich 1982 durch uns nachgewiesen, patentiert  und 1984 veröffentlicht. Die Bedeutung der Nahfeldoptik geht jedoch über die Mikroskopie hinaus. Insbesondere ergibt die Übertragung von Antenneneigenschaften aus dem Hochfrequenz- in den optischen Bereich überraschende Nahfeldeffekte mit Anwendungspotenzial, worauf ich am Ende zu sprechen komme. Doch zunächst: Was sind eigentlich optische Nahfelder?

Elektromagnetische Nah- und Fernfelder entstehen an der Oberfläche jedes (selbst-)leuchtenden oder beleuchteten Körpers. Während das Fernfeld nach den bekannten Gesetzen abgestrahlt wird, bleibt das Nahfeld an den Körper gebunden. Seine Struktur ergibt sich aus den Kontinuitätsbedingungen für das elektrische Feld (E) und die Flussdichte (D) an der Oberfläche. Sie enthält Information über submikroskopische Details der Lichtquelle. Ein ferner Beobachter, der einen Lichtpunkt wahrnimmt, kann deshalb nicht entscheiden, ob es sich um ein submikroskopisches leuchtendes Partikel, ein beleuchtetes Loch mit entsprechenden Abmessungen oder um den beugungs­begrenzten Fokus eines Lichtstrahls handelt. ...

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