Einen Lichtstrahl durch Materie steuern

Wissenschaftler kommen diesem Ziel immer näher. Einem französischen Physiker-Team des Langevin Instituts (CNRS [1], ESPCI [2], Universitäten Paris 6 und 7) ist es gelungen, die optischen Eigenschaften stark streuender Medien zu messen.

Daraus konnten sie eine Methode ableiten, die es ihnen ermöglicht, den Lichtstrahl in diesem Medium zu kontrollieren, um ihn zum Beispiel auf einen oder mehrere Punkte auf der anderen Seite des Mediums zu fokalisieren.

Dringt ein Lichtstrahl in ein inhomogenes Medium ein, so wird er durch jede einzelne Unregelmäßigkeit (Tropfen, Körner, usw.) in alle Richtungen gestreut. Daraus entsteht eine sehr komplexe Streuung, die alle Eigenschaften des Strahls zu beeinträchtigen scheint. Diese scheinbare Störung ist jedoch kontrollierbar: sind die Parameter des einfallenden Strahls vollständig bekannt (Wellenlänge, Phase, Richtung, usw.), so ist es prinzipiell möglich, den ausfallenden Strahl zu bestimmen, da die Streuung ein deterministischer Prozess ist.

Hierfür muss die sogenannte Transmissionsmatrix des Mediums gemessen werden. Sie besteht aus vielen Zahlenangaben, die beschreiben, wie das Medium den Lichtstrahl beeinflusst. Bei einer einfachen durchsichtigen Glaslinse setzt sie sich beispielsweise aus 4 Zahlen zusammen (für eine bestimmte Wellenlänge). Bei einem gewöhnlichen, streuenden Medium jedoch besteht sie aus extrem vielen Elementen (ca. 1012 Elemente für eine 1 mm² große angestrahlte Fläche).

Am Langevin Institut konnten nun Sylvain Gigan und seine Kollegen eine Approximation der Transmissionsmatrix einer mehrere Mikrometer dicken, auf einer Glaslamelle aufgetragenen Zinkoxid-Schicht erstellen. Als Lichtquelle benutzten sie dazu einen Laser. Der Strahl wurde durch einen räumlichen Lichtmodulator mit einer Auflösung von 16×16 Pixel geleitet. Durch diesen Modulator kann die Phase der einfallenden Laserwelle Pixel für Pixel per Computer reguliert werden. Auf der anderen Seite der Probe wurden mit einem interferometrischen Verfahren die Phase und die Amplitude der durchgeleiteten Welle gemessen. Dazu wurde ein CCD-Sensor mit 16×16 Pixel benutzt. Mit Hilfe des Modulators ließen die Wissenschaftler den Lichtstrahl variieren, und konnten durch Messung der ausfallenden Welle innerhalb von 3 Minuten die 164 Elemente der (vereinfachten) Transmissionsmatrix bestimmen. Unter Berücksichtigung dieser Matrix konnten die Forscher nun ihr verfolgtes Ziel umsetzen. Sie waren somit in der Lage, den Laserstrahl gezielt zu modulieren, so dass er durch die Probe hindurch einen vorbestimmten Pixel des CCD-Sensors anstrahlte. Anders ausgedrückt: es ist ihnen gelungen, einen Strahl nach Belieben zu steuern, obwohl er ein stark streuendes Medium durchstrahlen muss.

[1] Französisches Zentrum für wissenschaftliche Forschung

[2] Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la ville de Paris – Hochschule für industrielle Physik und Chemie der Stadt Paris

Kontakt: Sylvain Gigan – Institut Langevin – Tel: +33 1 40 79 45 90, Fax: +33 1 40 79 44 68 – Email: sylvain.gigan@espci.fr

Quelle: „Guider la lumière à travers le désordre“, Pour la Science – 24.03.2010 http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/actualite-guider-la-lumiere-a-travers-le-desordre-24784.php

Redakteur: Sebastian Ritter, sebastian.ritter@diplomatie.gouv.fr

Wissenschaft-Frankreich (Nummer 180 vom 31.03.2010)
Französische Botschaften in Deutschland und Österreich