Überblick

Der Dreh mit dem Licht

Optische Spiralwellen und ihre Anwendungen

  • Monika Ritsch-Marte
  • 01 / 2015 Seite: 31

Licht mit Bahndrehimpuls lässt sich veranschaulichen mit einem Bündel Spaghetti, das in der Mitte zusammen gedrückt und verdrillt wird. Solche optischen Spiralwellen haben vielfältige Anwendungen, beispielsweise können sie dazu dienen, Partikel mit der optischen Pinzette gezielt zu sortieren. In der Mikroskopie lässt sich mit ihnen eine Kantenverstärkung erzielen, und in der Quantenkryptographie ermöglichen Spiralwellen es, mehr Informationen zu verschränken.

Licht besitzt Energie, deren technische Nutzung mittels Solarheizung oder Photovoltaik allgegenwärtig ist. Und obwohl Licht kein Strahl massebehafteter Teilchen ist, besitzt es doch Impuls. Der Strahlungsdruck, der durch Impulsübertrag auf ein Objekt bei Reflexion oder Absorption entsteht, ist zwar sehr klein (für Sonnenlicht in Erdentfernung beträgt er einige µPa), aber dennoch unübersehbar für einige interessante Phänomene: Der Strahlungsdruck des Sonnenlichts trägt beispielsweise wesentlich dazu bei, dass Kometen einen Schweif haben, der immer von der Sonne weg zeigt. Möglicherweise lässt sich dies in einem Sonnensegelantrieb für Raumsonden ausnutzen.

Wie sieht es mit dem Drehimpuls des Lichts aus? Mikroskopisch ist Licht durch Photonen zu beschreiben, mit einem Energiequantum ℏω und einem Impuls ℏk. Photonen sind Spin-1-Teilchen und besitzen daher einen intrinsischen Drehimpuls. Dieser „Spin“ macht sich makroskopisch als die Polarisation bemerkbar: Dass Licht rechts- bzw. linkszirkular oder linear polarisiert sein kann, lässt sich als Ensemble-Mittelwert über eine Verteilung von Photonen verstehen, die sich jeweils in einem Polarisationszustand mit Helizität ±1 oder in Superpositionen davon befinden können.

Aber kann Licht auch Drehimpuls im Sinne des Bahndrehimpulses eines Teilchens besitzen? Betrachten wir zur Beantwortung dieser Frage erst einmal die allgemeine Definition des Drehimpulses als das Vektorprodukt des Ortsvektors und des Impulses, L = r × p. Stellen wir uns zur Veranschaulichung eine Tür vor, in deren Mittelpunkt ein kleiner Spiegel befes­tigt ist, der einen Lichtstrahl reflektieren und dabei Impuls auf die Tür übertragen kann. Bezogen auf einen Punkt auf der Drehachse durch die Türangeln besitzt der Lichtstrahl definitionsgemäß einen Drehimpuls. Da sich sein Vorzeichen bei der Reflexion ändert, lässt sich ein Drehmoment ausüben, das proportional zur zeitlichen Änderung des Drehimpulses ist, also ΔL/τ. Bei einem Abstand r des Spiegels zur Drehachse und Nph reflektierten Photonen in der Zeit τ führt dies zu einem Drehmoment von r Nph 2ℏk/τ. Leider lässt sich damit nicht viel anstellen: Um eine 10 kg schwere Tür mit einer winzigen Tangentialbeschleunigung von 1 µm/s2 um ihre Angeln zu rotieren, bräuchte man Millionen von 1 mW-Laserpointer, um den nötigen Impulsüber­trag aufzubringen. Als Türöffner in diesem Sinne eignet sich Licht also kaum. Eher würde das Licht ein Loch in die Tür brennen. Für mikroskopisch kleine Partikel können derartige Kräfte und Drehmomente trotzdem eine Rolle spielen. ...

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