Wundersam erhöhte Lichtdurchlässigkeit

               

Optimierte Lichtwellenfronten finden ihren Weg auch durch ungeordnete Schichten.

Durch ein Glas Milch kann man nicht hindurchsehen, weil die Lichtwellen an zahllosen, mikroskopisch kleinen Fetttröpfchen gestreut werden. Das Licht diffundiert zwischen den Tröpfchen hindurch, sodass ein einfallender Lichtstrahl in alle Richtungen aufgefächert wird. Dennoch könnte der Lichtstrahl einen Weg durch die Milch finden, wenn die in ihm enthaltenen Lichtwellen nur die richtigen Phasen hätten. Dass auf diese Weise eine ungeordnete und undurchsichtig erscheinende Schicht plötzlich lichtdurchlässig wird, haben jetzt Forscher von der Universität Twente gezeigt.

Ivo Vellekoop und Allard Mosk sind bei ihrer Arbeit von der allgemein akzeptierten Hypothese ausgegangen, dass die Lichttransmissionseigenschaften einer dünnen, ungeordneten Schicht durch eine Zufallsmatrix beschrieben werden können. Diese Matrix überlagert die einfallenden Lichtmoden in zufälliger Weise miteinander, schwächt sie ab und gibt ihnen zufällige Phasen. Die Eigenvektoren dieser Matrix entsprächen den Eigenmoden der Schicht, die von ihr unverändert durchgelassen oder aber reflektiert bzw. absorbiert werden. Wenn ein einfallender Lichtstrahl vor allem solche Moden enthielte, die von der Schicht durchgelassen werden, so könnte er die Schicht mit geringer Abschwächung passieren.

Um solch einen Strahl herzustellen, gingen die beiden Forscher folgendermaßen vor. Sie richteten einen Laserstrahl mit 632,8 nm Wellenlänge, den sie mit einem Flüssigkristall-Lichtmodulator modifiziert konnten, auf eine ca. 10 µm dicke Schicht aus 200 nm großen Zinkoxidpartikeln. In dieser Schicht betrug die mittlere freie Weglänge ca. 1 µm, sodass das Laserlicht vielfach an den Partikeln gestreut wurde. Hinter der Schicht nahm eine CCD-Kamera das transmittierte Licht auf. Es zeigte sich, dass der Laserstrahl von der Schicht zu einem 30 µm großen diffusen Fleck aufgeweitet wurde. In einem 0,1 µm großen Bereich im Zentrum des Flecks maßen die Forscher die Lichtintensität. In diesen Zielbereich (der kleiner als ein Fleck des Specklemusters war) wollten sie das transmittierte Licht bündeln.

Dazu variierten die Forscher die Phasen der Lichtwellen im einfallenden Laserstrahl systematisch mit Hilfe des Flüssigkristall-Lichtmodulators. Sie änderten jeweils eine Phase kontinuierlich zwischen 0 und 2π und beobachteten die Intensität im Zielbereich. Der Wert der Phase, für den sich die größte Lichtintensität ergab, wurde festgehalten. Auf diese Weise wurden alle Phasen optimiert, sodass das von der Schicht durchgelassene Licht im Zielbereich 750mal heller wurde als in der Umgebung. Das Licht hatte also einen sehr effektiven Weg durch die ungeordnete Schicht gefunden.

Abb.: Intensitätsverteilung eines horizontal polarisierten Lichtes einer  30 mu x 30 mu m Fläche hinter einer dünnen Schicht - dem Probematerial. (a) Für eine nicht-optimierte einfallende Wellenfront. (b) Für eine optimierte Wellenfront. (c) Integrierte Intensität der y-Richtung um über Speckle-Fluktuationen zu mitteln. Die gestrichelte Kurve stellt die Transmission des nicht-optimierten Lichtes dar; die durchgehende Linie der des optimierten Lichtes.  


Das phasenoptimierte einfallende Licht kam der perfekten Lichtwelle, die vollständig im Zielbereich gebündelt wird, sehr nah, erreichte sie jedoch nicht ganz. Der Grad der Annäherung, der zugleich der Güte des Verfahren entsprach, ließ sich durch den Überlapp der optimierten Lichtwelle mit der perfekten Welle ausdrücken. Bei ihren Experimenten mit unterschiedlich dicken Schichten und unterschiedlichen Positionen des Zielbereichs maßen die Forscher Werte für den Überlapp γ von bis zu 35 %. Die dabei in den jeweiligen Zielbereich transmittierte Intensität T erreichte bis zu 20 %. Zwischen γ und T bestand ein linearer Zusammenhang: T = c γ, wobei c = 0,68 ± 0,07. Demnach führten etwa 2/3 der im einfallenden Strahl vorhandenen Eigenmoden einer jeweiligen Schicht zum Zielbereich, während 1/3 der Moden blockiert war. Dieses Ergebnis, das universell zu sein scheint, stimmt mit den Vorhersagen der Zufallsmatrixtheorie überein.

Die Arbeit von Vellekoop und Mosk bestätigt eindrucksvoll, dass sich die Transmissionseigenschaften ungeordneter Schichten durch Zufallsmatrizen beschreiben lassen. Darüber hinaus zeigt sie, dass das Licht auch durch ungeordnete und scheinbar undurchlässige Schichten einen Weg finden kann.


RAINER SCHARF

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  I. M. Vellekoop and A. P. Mosk: Universal Optimal Transmission of Light Through Disordered Materials. Phys. Rev. Lett. 101, 120601 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.120601
  http://netserver.aip.org/cgi-bin/epaps?ID=E-PRLTAO-101-063834
  http://physics.aps.org/pdf/10.1103/PhysRevLett.101.120601.pdf (frei!)
• Complex Photonic Systems, University of Twente:
  http://cops.tnw.utwente.nl/index.html
• Ivo Vellekoops Website:
  http://www.ivovellekoop.nl/
  

Weitere Literatur:

• John Pendry: Light finds a way through the maze. Physics 1, 20 (2008)
  http://physics.aps.org/articles/v1/20
• I. M. Vellekoop and A. P. Mosk: Focusing coherent light through opaque strongly scattering media. Opt. Lett. 32, 2309 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1364/OL.32.002309
  http://cops.tnw.utwente.nl/pdf/07/Focusing_light_OptLett.pdf (frei!)
• Ivo Vellekoop: Controlling the propagation of light in disordered scattering media. (Ph. D. Thesis, 2008)
  http://cops.tnw.utwente.nl/pdf/theses/Vellekoop.pdf (6 MB)

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