Magnetfeld des Lichts sichtbar gemacht

Mit einer geschlitzten Mikrosonde nehmen niederländische Forscher die magnetische Komponente einer stehenden Lichtwelle auf.

Zu einer Lichtwelle tragen elektrische und magnetische Wechselfelder in gleichem Maße bei. Doch wenn sichtbares oder infrarotes Licht mit Materie wechselwirkt, spielt der magnetische Anteil des Lichts kaum eine Rolle. Deshalb ist es viel schwerer, die räumliche Verteilung des Magnetfeldes einer Lichtwelle aufzunehmen als die ihres elektrischen Feldes. Das ist jetzt Forschern vom Institut für Atom- und Molekülphysik (AMOLF) in Amsterdam erstmals mit Submikrometer-Auflösung gelungen.

Matteo Burresi und seine Kollegen hatten schon zu Beginn des Jahres ein Verfahren vorgestellt, mit dem sie die Polarisationsverteilung einer stehenden infraroten Lichtwelle in einem Wellenleiter sichtbar machen konnten, wobei Details des elektrischen Feldes unterhalb der Wellenlänge erkennbar waren. Die Verteilung des Magnetfeldes war dabei noch unsichtbar geblieben. Jetzt haben die Forscher ihr Verfahren so abgewandelt, dass auch die magnetische Komponente der stehenden Lichtwelle mit derselben räumlichen Auflösung sichtbar wurde. 

Dazu spalteten die Forscher den Strahl eines infraroten Diodenlasers mit einem Strahlteiler auf und lenken den einen Teilstrahl in einen Einmoden-Wellenleiter, während der andere als Referenzstrahl diente. Da das Licht teilweise von den Endfacetten des Wellenleiters reflektiert wurde, bildet sich eine stehende Lichtwelle aus. Mit einer Glasfaser, deren spitzes Ende einen Aluminiumüberzug mit einer 200 nm großen Öffnung hatte, wurde die Oberseite des Wellenleiters in 20 nm Abstand abgerastert. So konnte der evaneszente Teil der Lichtwelle über dem Wellenleiter von der Öffnung der Sonde aufgenommen und durch die Glasfaser abgeleitet werden. Dieses Licht und der Referenzstrahl wurden überlagert und die resultierende Intensität und Polarisation analysiert. Auf diese Weise ließ sich die Intensitätsverteilung der stehenden Welle und ihr Polarisationszustand räumlich auflösen.

Um auch das Magnetfeld sichtbar zu machen, haben die Forscher eine Spitze benutzt, deren Aluminiumüberzug einen Spalt hatte, der bis zur Öffnung am Ende der Spitze reichte. Der Überzug hatte damit die Form eines geschlitzten Rings. Wenn das zeitlich veränderliche Magnetfeld der stehenden Lichtwelle senkrecht zur Spitzenöffnung stand, induzierte es einen elektrischen Strom in diesem geschlitzten Aluminiumring, der periodisch variierende Polarisationsladungen an den beiden Enden des Rings hervorrief. Die von diesem elektrischen Dipol abgestrahlte Welle wurde durch die Glasfaser abgeleitet und anschließend in gewohnter Weise analysiert.

Die Forscher konnten damit detaillierte Informationen über das Magnetfeld der stehenden Welle gewinnen. So zeigte eine Messung entlang der in x-Richtung orientierten Längsachse des Wellenleiters, dass das Magnetfeld und das elektrische Feld stehende Wellen bildeten, die erwartungsgemäß um eine halbe Wellenlänge gegeneinander verschoben waren. Über eine Fläche von 7,7 µm² konnten Burresi und seine Kollegen die Verteilung der z-Komponente des B-Feldes und der y-Komponente des E-Feldes sichtbar machen, wobei die räumliche Auflösung etwa 100 nm betrug. Mit ihrem Verfahren hoffen die Forscher, Einblicke in die Feldverteilung in photonischen Nanostrukturen und optischen Metamaterialien zu gewinnen. Das könnte helfen, Materialien mit neuartigen optischen Eigenschaften gezielter zu entwickeln.

RAINER SCHARF

• Gruppe von Kobus Kuipers am FOM Institute AMOLF in Amsterdam:
  http://www.amolf.nl/research/nanooptics/

• R. J. P. Engelen et al.: Ultrafast evolution of photonic eigenstates in k-space. Nature Phys. 3, 401 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1038/nphys576
  http://os.tnw.utwente.nl/publications/pdf/162.pdf (frei!)

• Matteo Burresi: Nanoscale investigation of light-matter interactions mediated by magnetic and electric coupling. Ph. D. Thesis (2009)
  http://www-old.amolf.nl/publications/theses/burresi/burresi.html 

KP