Die Messung von Licht ist oft eine recht einfache und routinehafte Aufgabe. Das gilt allerdings nur, wenn es sich bei den zu messenden Lichtparametern um Intensität oder Farbe handelt. Kameras werden genau zu diesem Zweck gebaut, um die räumliche Verteilung der Lichtintensität oder -helligkeit zu messen, wobei die Farbinformationen durch Hinzufügen von Spektralfiltern gewonnen werden. In ähnlicher Weise kann auch die Schwingungsrichtung von Lichtwellen, die so genannte Polarisation, nach der gleichen Strategie vermessen werden, d. h. mit Hilfe von (Polarisations-)Filtern und einer Standardkamera. Um allerdings zu messen, wie synchron oder asynchron Lichtwellen schwingen, also experimentell Phaseninformation eines Lichtfeldes zu gewinnen, ist jedoch eine anspruchsvollere Aufgabe, denn eine Phasenmessung erfordert in der Regel einen Vergleich der Wellen mit einer Referenz oder untereinander. Apropos schwierige Aufgabe: Die oben genannten Messungen beschränken sich meist auf das elektrische Feld des Lichts, seine Intensität, Schwingungsrichtung und Phase, während das magnetische Feld der Lichtwellen naturgemäß und zwangsläufig schwerer zugänglich ist.
Noch komplizierter wird die Situation, wenn das zu analysierende oder zu nutzende Lichtfeld räumlich stark eingegrenzt wird, beispielsweise durch eine starke Fokussierung mit einer Linse, wie es in der optischen Mikroskopie, der Nanometrologie oder der Nanofabrikation üblich ist. Das Feld wird dreidimensional und weist Merkmale auf, die auf tiefen Sub-Wellenlängen-Skalen variieren. Erwartungsgemäß versagen alle Standardmessverfahren für Intensität, Polarisation und Phase in diesem Bereich. Die räumlichen Verteilungen solcher Lichtparameter, sowohl für die elektrischen als auch für die magnetischen Feldverteilungen, enthalten jedoch wichtige Informationen über die Umgebung, mit der die elektromagnetischen Felder wechselwirken. Daher spielt ihre experimentelle Charakterisierung auf der Nanoskala in vielen Anwendungen eine zentrale Rolle, von der Mikroskopie bis zur Sensorik und darüber hinaus.
In einer kürzlich erschienenen Publikation stellen Jörg Eismann und Peter Banzer experimentell und theoretisch eine neuartige und leistungsstarke Messtechnik vor, die die hochpräzise Messung der komplizierten Struktur von Lichteigenschaften im auf der Nanoskala erlaubt. Insbesondere ermöglicht ihre Technik die direkte Vermessung von Feldinformationen sowohl für die elektrischen als auch für die schwer greifbaren magnetischen Feldkomponenten und deren Unterschiede in Bezug auf die Feldverteilungen aufzudecken. Das Rückgrat dieser Methode ist die Kombination aus einem Nanoteilchen, das als Sonde verwendet wird und lokal mit dem Feld interagiert, und einer geschickten Analyse des gestreuten Lichts. Die Ergebnisse wurden in ACS Photonics veröffentlicht.
Diese Studie eröffnet neue Wege zur gleichzeitigen, aber unabhängigen Untersuchung von elektrischen und magnetischen Feldern mit hervorragender räumlicher Auflösung, was den Zugang zu verborgenen Wellenphänomenen im Nanobereich und darüber hinaus die quantitative Nutzung von Feldern im Nanobereich in einer Vielzahl von Anwendungen ermöglicht, die von der ultrapräzisen Nanometrologie bis zur Bildgebung reichen.
Publikation:
Jörg S. Eismann and Peter Banzer, Nanoscale Vectorial Electric and Magnetic Field Measurement, ACS Photonics Article ASAP; DOI: 10.1021/acsphotonics.4c01831
Kontakt:
Peter Banzer; Optics of Nano and Quantum Materials (website)