Lichtfokussierung durch Mikrokugeln

Präsentation zum Thema: "Lichtfokussierung durch Mikrokugeln"—  Präsentation transkript:

1 Lichtfokussierung durch Mikrokugeln
Johannes Kofler Institut für Angewandte Physik Betreuung: Dr. Nikita Arnold, Prof. Dieter Bäuerle Wilhelm-Macke-Preisvortrag 31. März 2005

2 Motivation Kugeln wirken als Linsen und fokussieren Licht
Mikrokugeln und Laser  Erzeugung kleinster Strukturen „Monolagen“: einziger Laserpuls  Millionen gleichmäßiger Strukturen Interessantes theoretisches Problem: Fokussierung nur „schlecht“ verstanden Existierende Beschreibungen: zu ungenau oder zu kompliziert

3 Geometrische Optik – Wellenoptik
Modellvorstellung Lichtstrahlen Lichtwelle Lichtintensität Dichte der Strahlen Amplitude der Welle Berechnung Geometrie Wellenfelder (Integrale) Gültigkeit kleine Wellenlängen “immer“ Strahlen Wellenfronten

4 Warum nicht das Wellenfeld für die Kugel berechnen?
Antwort: sehr aufwendig, extrem langsam, Näherungen zu ungenau Warum nicht die Lösung der geometrischen Optik nehmen? Antwort: relativ einfach aber Strahlendichte ist unendlich groß in Fokus-Bereichen (Kaustik) Kaustik Wellenfront

5 Die Kaustik im Alltag

6

7 Zum Verständnis der Kugel
Kaustik

8 Zum Verständnis der Kugel
Kaustik, geometrischer Fokus und sphärische Aberration sphärisch „verirrt“ keine sphärische Aberration doppelte Kaustik

9 Die geometrische Optik ist ungültig in der Nähe der Kaustik
Wellenoptik 

10 Was tun? Man nehme das einfachstmögliche Wellenfeld der Wellenoptik mit der richtigen Struktur (doppelte Kaustik)  universelles Bessoid-Wellenfeld Berechne die Lösung der geometrischen Optik (für die Kugel) Das Bessoid-Wellenfeld „verzerrt“ und „verbiegt“ man solange, bis es exakt der geometrischen Lösung hinter der Kugel (überall fern von der Kaustik) entspricht „Man zieht das Wellenfleisch über das (geometrische) Strahlskelett“ Dies geschieht durch mathematische Transformationen, die Kaustik-Unendlichkeiten verschwinden 4. Resultat: die exakte Lösung des Lichtfeldes (hinter der Kugel)

11 Das Bessoid-Wellenfeld
Z R

12 Illustration

13 Geometrische Optik Bessoid-Anpassung
Kugelradius: r = 3 µm = mm Brechungsindex: n  (Glas) Wellenlänge:  = 250 nm = mm Geometrische Optik Bessoid-Anpassung

14  IBeugungsfokus  500 I0 r n  1.4 (Glas) r = 3 µm = mm  = 250 nm = mm

15 SiO2/Ni-Folie Wellenlänge:   250 nm Kugelradius: r = 3 µm Lineare Polarisation

16 Zusammenfassung Kugeln wirken als Linsen und fokussieren Licht
Mikrokugeln und Laser: gleichzeitig Millionen kleinster und geordneter Strukturen Theoretische Beschreibung der Fokussierung: bisher entweder zu ungenau (diverse Näherungen) oder zu kompliziert (direkte Berechnung des Wellenfeldes hinter der Kugel) Neue Beschreibung: Problem in der geometrischen Optik lösen Das universelle Bessoid-Wellenfeld wird dieser Lösung „angepaßt“ Das Resultat hat keine Kaustik-Unendlichkeiten mehr Fokussierung nicht nur für Licht (und nicht nur für Kugeln): Schall-, Radio- und quantenmechanische Materiewellen

17 Danksagung Betreuung Dr. Nikita Arnold Prof. Dieter Bäuerle
Diskussionen Dr. Klaus Piglmayer Dr. Lars Landström DI Richard Denk DI Johannes Klimstein Gregor Langer Heutige Dienstfreistellung Prof. Časlav Brukner, Universität Wien Institut für Angewandte Physik, TNF-Turm, 9. Stock

18 Danke für eure Aufmerksamkeit!