Nachrichten

Forschung & Entwicklung Design ultrascharfer Pulse

Simulationen zeigen, dass mit einem neuen Verfahren beliebig stark fokussierte elektromagnetische Felder erzeugt werden können. Das könnte für Anwendungen in der Mikroskopie oder Sensorik interessant sein.

Eine Gruppe um den Physiker Oriol Romero-Isart vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck präsentiert gemeinsam mit Ignacio Cirac und Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching ein neues Konzept zur Erzeugung stark fokussierter elektromagnetischer Felder.

Fließt ein elektrischer Strom durch eine Spule, erzeugt er elektromagnetische Wellen, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Wird die Spule in einen hohlen Zylinder gesteckt, dessen Oberfläche die Wellen perfekt reflektiert, dann geschieht etwas sehr Überraschendes. Mit einem solchen Aufbau lassen sich beliebig stark fokussierte Pulse in beinahe gleichem zeitlichen Abstand erzeugen. Je mehr Schwingungsmoden angeregt werden, desto stärker werden die Felder fokussiert. Mithilfe analytischer Berechnungen ließen sich – ausgehend von den Reflexionen der elektromagnetischen Wellen an der Innenseite des Zylinders – die Stromimpulse in der Spule so konstruieren, dass eine definierte Anzahl von Moden angeregt wird.

„Dank der besonderen Eigenschaften des Systems muss der Impuls nur ganz geringfügig angepasst werden, um die Anzahl der Moden zu ändern – sprich, um das Feld stärker zu fokussieren. Die durchschnittliche Frequenz des Impulses bleibt im Wesentlichen immer die gleiche“, erklärt Jordi Prat-Camps vom IQOQI. Über den Radius des Zylinders lässt sich der Frequenzbereich des erzeugten Felds bestimmen; mit einem, einige Zentimeter dicken Zylinder lassen sich zum Beispiel fokussierte Mikrowellenpulse erzeugen. Mit numerischen Simulationen konnten die Forscher ihre analytischen Berechnungen bestätigen. Dabei zeigte sich, dass die Felder ihre besonderen Eigenschaften noch eine Zeit lang beibehalten, wenn sie den Zylinder durch eine der beiden Öffnungen verlassen.

Technologisch interessant ist das neue Konzept überall dort, wo stark fokussierte Felder benötigt werden, zum Beispiel in der Mikroskopie. Für die Umsetzung ihres Vorschlags nennen die Theoretiker zwei Dinge, die zu beachten sind: Zum einen muss ein Material gefunden werden, das einen möglichst hohen Frequenzbereich optimal reflektiert. Zum anderen ist eine präzise Erzeugung der errechneten Stromimpulse notwendig.

Die Arbeit wurde u. a. vom Europäischen Forschungsfonds ERC und vom österreichischen Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft gefördert.

Originalveröffentlichung:

[P. Maurer, J. Prat-Camps, J. I. Cirac, T. W. Hänsch, O. Romero-Isart, Ultrafocused Electromagnetic Field Pulses with a Hollow Cylindrical Waveguide, Phys. Rev. Lett. 119 (2017), DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.043904]

www.uibk.ac.at

www.mpq.mpg.de

© photonik.de 2019 - Alle Rechte vorbehalten