Spektrallinse komprimiert das Lichtspektrum

Berlin/Amsterdam (Niederlande)/St. Andrews (Schottland) – Mit optischen Linsen lassen sich vergrößerte oder verkleinerte Abbildungen von Objekte erzeugen, um sie zum Beispiel besser untersuchen zu können. Eine sogenannte Spektrallinse, die Forscher nun entwickelt haben, wirkt anders: Sie kann das Spektrum des Lichts komprimieren oder verbreitern. Mit einer solchen Anwendung ließe sich ein breitbandiges Signal so verkleinern, dass  es durch einen schmalbandigen Datenkanal gesendet werden könnte. Die Information des Signals bleibt bei der Veränderung des Spektrums stets erhalten, eine wichtige Voraussetzung für die optische Datenübertragung.

Links ist ein Diagramm zu sehen, auf der y-Achse ist die Frequenz und an der x-Achse die Zeit aufgetragen. Zunächst tritt rotes Licht mit einer niedrigen Frequenz ein, nach dem Kontrollpuls erhöht sich die Frequenz und das Licht wird blau. Rechts ist der Versuchsaufbau dargestellt mit der Siliziumfolie, die auf der rechten und linken Seite perforiert ist, nur in der Mitte ist ein nichtperforierter Streifen. Genau über diesem Streifen liegt ein Goldstreifen. Der Kontrollpuls bescheint die Folie von oben, er wird vom Goldstreifen reflektiert und trifft nur einen Teil der perforierten Bereiche.
Prinzip der Spektrallinse

Die Forschergruppe des Fritz-Haber-Institus in Berlin, des Instituts für Atom- und Molekülphysik in Amsterdam und der Universität St. Andrews in Schottland benutzten für ihre Linse einen photonischen Kristall. Photonische Kristalle sind Festkörper, deren Struktur periodisch moduliert ist, die also zum Beispiel ein regelmäßiges Muster von Löchern aufweisen. Eine solche Struktur kann ein Lichtsignal um eine Kurve lenken, die einen Radius von nur einem tausendstel Millimeter hat. Der Kristall der Forscher besteht aus einer 220 Nanometer dicken Siliziumfolie mit vielen Löchern, lediglich ein dünner Streifen in der Mitte ist nicht perforiert. Er dient als Leiter für das Licht.

Schickten die Forscher einen Lichtpuls, der aus einem Spektrum von verschiedenen Wellenlängen bestand, über die Folie, dann durchdrang das Licht blauer Wellenlänge die Folie nur innerhalb der Leiterbahn. Langwelligeres Licht roter Wellenlänge hingegen drang auch durch die angrenzenden perforierten Bereiche. Die Forscher deckten nun die Leiterbahn mit einem schmalen Goldstreifen ab und bestrahlten die Folie mit einem sehr intensiven Laserpuls. Dadurch konnten sie die Frequenz des roten Lichts stark erhöhen, so dass seine Spektrallinien ins Blaue verschoben wurden. Das ursprünglich blaue Licht unter dem Goldstreifen dagegen veränderte sich nicht. Insgesamt hatten die Wissenschaftler damit das Spektrum des eingesandten Lichts verkleinert.

Mikroskopaufnahme in grau, zu sehen ist ein langer, regelmäßig perforierter Bereich, der nicht perforierte Streifen, der genau durch die Mitte verläuft, ist sehr schmal.
Mikroskopaufnahme der Linse

Ein zusammengepresstes Spektrum benötigt nicht nur weniger Bandbreite bei der Übermittlung von Daten, das Licht wird durch die Komprimierung auch verlangsamt. Damit eignet sich die Technik zur Steuerung von Glasfasernetzwerken, bei denen Signale oft verzögert werden müssen, um sie auf andere Signale abzustimmen.

„Mit leichten Modifikationen am photonischen Kristall ließe sich mit dem Mechanismus auch eine vergrößernde Spektrallinse bauen“, sagt Tobias Kampfrath vom Fritz-Haber-Institut Berlin. Dazu muss dass Lochmuster so verändert werden, dass statt des roten das blaue Licht durch die perforierten Bereiche dringt. Eine vergrößernde Linse könnte das Auflösungsvermögen von optischen Spektrometern erhöhen, da die Geräte so Spektrallinien unterscheiden könnten, die sonst zu dicht beieinander liegen würden.