Überraschender Durchbruch:
Forscher formen Licht ohne Linsen

Forscher konnten jetzt einen überraschenden Beweis für ein Phäno­men liefern, das bisher eher als mathematische Kuriosität galt: Sie schafften es, Licht ohne klassische optische Bauteile wie Linsen oder Spiegel zu formen.

Erster experimenteller Nachweis

Das Team um Federico Capasso, Professor für angewandte Physik und Elektrotechnik an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), berichtet in der Fachzeitschrift Optica über die erste kontrollierte Beobachtung des sogenannten Montgomery-Effekts. Dabei verhält sich ein kohärenter Lichtstrahl auf ungewöhnliche Weise: Er breitet sich aus, scheint zwischendurch zu verschwinden und fokussiert sich dann in exakt definierten Abständen immer wieder neu, ganz ohne äußere Führung durch Linsen. Dieses wiederholte Selbstabbilden von Licht im freien Raum eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen in der Mikroskopie, der Sensorik und der Quanteninformatik.

Zwar wurde der Effekt bereits in den 1960er-Jahren theoretisch vorhergesagt, doch fehlte bislang ein überzeugender experimenteller Nachweis. Die neue Arbeit zeigt nicht nur, dass der Montgomery-Effekt real ist, sondern auch, dass er gezielt gesteuert und angepasst werden kann.


Inspiriert wurden die Experimente von einem verwandten Phänomen, dem sogenannten Talbot-Effekt, der in der Optik seit Langem genutzt wird. Beim Talbot-Effekt erzeugt Licht hinter einem periodischen Gitter wiederholte Abbilder des Gitters - ebenfalls ohne Linsen. Allerdings ist dieser Effekt auf streng regelmäßige Muster beschränkt und erzeugt oft störende Nebenbilder und Hintergrundlicht.

Wichtige Grundlage

Der Montgomery-Effekt überwindet diese Einschränkungen. Mithilfe eines programmierbaren räumlichen Lichtmodulators, vergleichbar mit der Technik eines digitalen Projektors, formten die Forschenden die Phase eines Laserstrahls so, dass er sich selbst in definierten Abständen neu fokussiert. Das gelang nicht nur für einfache Lichtpunkte, sondern auch für komplexe Strukturen wie ringförmige Strahlen oder Anordnungen mehrerer Lichtflecken.

Besonders vielversprechend ist das Verfahren für die Quantenforschung. In heutigen Quantencomputern mit neutralen Atomen werden diese mithilfe sogenannter optischer Pinzetten meist in einer Ebene fixiert. Die neue Methode könnte es ermöglichen, solche Lichtfallen in mehreren Tiefen gleichzeitig zu erzeugen und damit dreidimensionale Quantenarchitekturen aufzubauen. Auch in der biologischen Bildgebung könnte der Ansatz Vorteile bringen, da scharfe Beleuchtungsebenen mit minimalem Streulicht erreicht werden - schonender für Proben und präziser in der Auswertung.

Als nächsten Schritt wollen die Forschenden die neuartigen Lichtmuster auf sogenannte Metasurfaces übertragen - hauchdünne Nanostrukturen, die sich ähnlich wie Mikrochips herstellen lassen und eine noch feinere Kontrolle über Licht versprechen.


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