Für die coolen Figuren in Publikationen benutzt man heute gerne Ray-tracing-Programme: dabei wird Licht von den Objekten zur Kamera verfolgt und auch Brechungen und Reflexionen des Lichts berücksichtigt. Schwieriger wird es, wenn die Interferenzen von Wellen eine Rolle spielen, so wie bei einem Messgerät zur Charakterisierung von Nanopartikeln, das an der meduni Graz von Brave Analytics entwickelt wird. Hier werden Partikel durch eine zylinderförmige Kapillare gepumpt und von einem fokussierten Laser bestrahlt, das gestreute Licht wird von der Seite mit einer Kamera beobachtet. Je nach Fokuseinstellung beobachtet man vertikale und horizontale Striche, oder auch rautenförmige Strukturen mit einer Fülle von Interferenzmustern.
Wie beschreibt man so etwas theoretisch? Die ersten Überlegungen „das geht einfach“ (aber wie?) und „das hat sicher schon jemand gemacht“ (aber wer?) verliefen ebenso erfolglos wie unsere Ray-tracing-Versuche. In einer Arbeit, die nun im Journal Nanophotonics publiziert wurde, wählten wir schließlich den Old-school-Zugang über analytische Funktionen. Die Streuung der sphärischen Partikel wird mit Hilfe der Mie-Theorie beschrieben, danach werden die Streufelder von sphärischen in Zylinder-Koordinaten transformiert und durch die zylinderförmige Glas-Kapillare propagiert. Alles nicht wirklich schwierig aber dennoch unangenehm genug, dass man sich die Mühen der Rechnungen nur im echten Notfall antut.
Und nachdem wir heutzutage mit den speziellen Funktionen nicht mehr so vertraut sind wie zu Zeiten von James Clerk Maxwell und Gustav Mie, haben wir zur Kontrolle die berechneten Bilder mit gemessenen Bildern verglichen, die wunderbar übereinstimmen. Manchmal funktionieren die guten alten Dinge also doch noch am besten.
Imaging the scattered light of a nanoparticle through a cylindrical capillary
Ulrich Hohenester, Christian Neuper, Marko Šimić, Christian Hill
Nanophotonics (2024)
https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nanoph-2023-0773/html
