30.07.2020

Licht nach Maß

Nichtbeugende Lichtfelder für hochauflösende Mikroskopie und nanoskalige Material­bearbeitung.

Moderne Anwendungen wie die hoch­auflösende Mikro­skopie oder die mikro- und nanoskalige Material­bearbeitung benötigen maßge­schneiderte Laserstrahlen, die sich bei der Ausbreitung nicht verändern. Dies stellt eine Heraus­forderung dar, denn Lichtstrahlen verbreitern sich typischer­weise bei der Propagation. Propagations-invariante oder nicht-beugende Licht­felder scheinen daher auf den ersten Blick nicht möglich. Wenn es gelänge, diese herzu­stellen, würden sie neue Anwendungen wie die Lichtscheiben­mikroskopie oder das laser­basierte Schneiden, Fräsen oder Bohren mit hohen Aspekt­verhältnissen ermöglichen.

Abb.: Dieses Foto zeigt die trans­versale Struktur eines nicht­beugenden...
Abb.: Dieses Foto zeigt die trans­versale Struktur eines nicht­beugenden Lichtfelds mit kaus­tischer Umrandung. (Bild: A. Zannotti, WWU)

Einem inter­nationalen Forschungs­team der Univer­sitäten Birmingham und Marseille sowie der West­fälischen Wilhelms-Univer­sität Münster ist es jetzt gelungen, erstmalig einen aus der Natur inspi­rierten Ansatz zugunsten propa­gations-invarianter Licht­felder zu entwickeln und umzusetzen. „Damit kann eine beliebige, gewünschte Intensitäts­struktur einfach durch die Berandung vorgegeben werden und wird damit propa­gations-invariant“, erläutert Cornelia Denz vom Institut für Angewandte Physik. Die Physiker nutzten dafür Licht­strukturen aus, die in Regenbögen oder bei der Trans­mission von Licht durch Trink­gläser zu sehen sind: spektakuläre Strahl­strukturen, die Kaustiken oder helle Fokuslinien.

Das Team entwickelte eine Methode, diese Kaustiken als Basis zur Erzeugung beliebiger Strukturen zu nutzen. Damit wurde eine Methode zur intelli­genten Mani­pulation von Strahl­propagation geschaffen. Auf diese Weise lassen sich unzählige neuartige Laserstrahlen auf der Mikrometer­skala formen, die in der optischen Material­bearbeitung, der multi­dimensionalen Signal­übertragung oder der hochauf­lösenden Bildgebung ganz neue Perspek­tiven eröffnen.

Erst vor wenigen Jahren war es gelungen, einige wenige Lichtfelder zu realisieren, die diese nicht­beugenden Eigen­schaften haben, auch wenn die theoretische Idee schon älter ist: Konzentrische Ring­strukturen wie der Besselstrahl konnten propagations­invariant hergestellt werden. Die Theorie sah eine ganze Klasse von Strahlen voraus, deren trans­versale Form auf elliptischen oder parabolischen Bahnen entstehen und natürliche Lösungen der Wellen­gleichung darstellen. Obwohl seit langem ein Bedarf an maßge­schneiderten Licht­strahlen mit diesen Eigen­schaften besteht, sind sie experimentell kaum erzeugt worden, da die Invarianz der transversalen Intensitäts­struktur während der Propa­gation erhalten bleiben muss.

WWU Münster / JOL

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