Besser fokussiert

Laserlicht lässt sich auf einen kleineren Brennfleck bündeln als bisher gedacht - mit der richtigen Polarisation.

Möglichst scharf gebündelte Lichtstrahlen benötigt man für viele optische Anwendungen, z. B. für die Lithographie, für optische Datenspeicher, und für optische Fallen und Pinzetten. Wegen der Wellennatur des Lichtes kann man einen Lichtstrahl jedoch nicht beliebig stark fokussieren. Jetzt haben Susanne Quabis und ihre Kollegen von der Universität Erlangen-Nürnberg gezeigt, dass auch der Polarisationszustand des Lichtes eine wichtige Rolle bei der Fokussierung spielt: Mit radial polarisiertem Licht haben sie den bislang kleinsten Brennfleck erzeugt.

Bündelt man einen Lichtstrahl mit Hilfe einer Linse so stark wie möglich – wobei der Strahl, die Linse und ihre räumliche Anordnung rotationssymmetrisch zur optischen Achse sind – dann erhält man einen kreisförmigen Brennfleck. Benutzt man indes linear polarisiertes Licht, bei dem das elektrische Feld in eine bestimmte Richtung schwingt, so liegt keine Rotationssymmetrie vor. Dann hat der kleinstmögliche Brennfleck auch nicht mehr die optimale Kreisform und erscheint ein wenig unscharf, wie die Forscher in Erlangen erstmals beobachten konnten.

Besser fokussiert: Mit radial polarisiertem Licht (rechts) lässt sich ein kleinerer Brennfleck erzeugen als mit linear polarisiertem (links). (Quelle: Uni Erlangen-Nürnberg)

Für linear polarisiertes Licht der Wellenlänge λ ist die kleinste erreichbare Fleckgröße 0,31 λ ² (wenn die Linse die numerische Apertur 0,9 hat). Benutzt man zusätzlich zur Linse noch eine ringförmige Blende, so kann man die Fleckgröße auf 0,26 λ ² reduzieren. Für das rote Licht eines Helium-Neon-Lasers mit λ=0,63 μm ergibt sich demnach eine minimale Fleckgröße von 0,1 μm ².

Doch wie klein kann man den Brennfleck machen, wenn man einen Laserstrahl mit rotationssymmetrischer Polarisierung benutzt? Hier hat man zwei Möglichkeiten zur Auswahl. Bei azimutaler Polarisation schwingt das elektrische Feld kreisförmig um die Strahlrichtung, abwechseln im Uhrzeigersinn und entgegen. Bei radialer Polarisation zeigt das elektrische Feld abwechselnd auf das Strahlzentrum und von ihm weg. In beiden Fällen hat der Strahl in seinem Zentrum eine verschwindende Lichtintensität.

Wie die Theorie und das Experiment zeigten, ist die radiale Polarisation die richtige Wahl, wenn man den Laserstrahl möglichst scharf bündeln will. Die Forscher stellten einen radial polarisierten Strahl dadurch her, dass sie einen linear polarisierten Laserstrahl durch einen Polarisationskonverter schickten. Der Konverter teilte den Strahlquerschnitt in vier Quadranten und drehte die zunächst gleichgerichteten Polarisationen in den Quadranten um unterschiedliche Winkel, nämlich um 0, 90, 180 und 270 Grad. Anschließend lief der noch nicht einheitlich polarisierte Strahl durch ein Interferometer, das nur den radial polarisierten Anteil des Strahls durchließ.

Der radial polarisierte Laserstrahl wurde dann durch eine ringförmige Blende geschickt und schließlich von der Linse gebündelt. Die Blende ließ nur den äußeren Teil des Laserstrahls durch. Diese „Randstrahlen“ wurden von der Linse so stark abgelenkt, dass sie im Brennfleck fast senkrecht auf die optische Achse trafen. Ihre Polarisationsrichtungen waren deshalb nahezu parallel zum Strahl ausgerichtet. Das elektrische Feld im Brennfleck war also im Wesentlichen longitudinal.

Durch die konstruktive Interferenz der Randstrahlen verringerte sich die minimale Fleckgröße beträchtlich und lag jetzt bei 0,16 λ ². Das Licht des Helium-Neon-Lasers ließ sich demnach auf einen Fleck von 0,06 μm ² fokussieren! Die berechnete Fleckgröße für das longitudinale Feld allein lag sogar noch deutlich darunter. Mit radial polarisiertem Laserlicht könnte man also in lichtempfindliche Beschichtungen, die nur auf den Longitudinalanteil des elektrischen Feldes ansprechen, noch deutlich kleinere Strukturen schreiben als bisher.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  R. Dorn et al., Focusing a radially polarized light beam to a significantly smaller spot size, Phys. Rev. Lett. 91 (to be published).
  http://xxx.arxiv.org/abs/physics/0310007 
• Kontakt:
  Susanne Quabis, E-Mail: quabis@physik.uni-erlangen.de
  Gerd Leuchs, E-Mail: leuchs@physik.uni-erlangen.de 
• Gruppe Interferometrie und Mikroskopie an der Uni Erlangen-Nürnberg:
  http://www.optik.uni-erlangen.de/leuchs/inmik/index.html 
• Weitere Forschungsartikel auf pro-physik.de finden Sie in der Rubrik Forschung. 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Laser-Fokussierung finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Optik und Laserphysik.

Weitere Literatur:

• Ralf Dorn et al., The focus of light - linear polarization breaks the rotational symmetry of the focal spot, J. Mod. Opt. 50, 1917 (2003).
  http://xxx.arxiv.org/abs/physics/0304001
  http://kerr.physik.uni-erlangen.de/Veroeffentlichungen/InMik/rdsqgl_focus_JModOpt_2003_1917.pdf 
• S. Quabis et al., Focusing light to a tighter spot. Optics Communications 179, 1 (2000).
  http://kerr.physik.uni-erlangen.de/Veroeffentlichungen/InMik/sqrdmeboggl_focusinglight_OptComm_2000_179_1.pdf