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Physiker überzeugen mit ihren Studien in Optik und Photonik

Eine Publikation von Forscherinnen und Forschern um Physikerin Prof. Dr. Cornelia Denz gehört nach Angaben der Fachzeitschrift "Optics & Photonics News" zu den weltweit 30 wegweisendsten Arbeiten des Jahres 2020. Die Zeitschrift kürt in ihrer jährlichen Sonderausgabe zum Jahresende die Forschungshöhepunkte des vergangenen Jahres aus den Bereichen Optik und Photonik.

Eine Expertenkommission begutachtete mehr als 115 internationale Studien aus dem Jahr 2020 und wählte daraus die besten Arbeiten aus. Bereits in den vergangenen Jahren war die WWU-Forschergruppe "Nichtlineare Photonik" unter der Leitung von Cornelia Denz am Institut für Angewandte Physik der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster mit mehreren Publikationen in der Liste vertreten.

In diesem Jahr erhält sie eine besondere Auszeichnung: Obwohl es unter den 30 ausgewählten Arbeiten keine Heraushebung gibt, wurde doch die Arbeit des Teams mit dem Titelbild der Ausgabe geehrt und ist damit „heimlicher“ Gewinner der diesjährigen Auswahl.

Über die ausgezeichnete Studie

Maßgeschneiderte Brennstrahlen nach dem Vorbild der Natur

Die laserbasierte Materialbearbeitung oder die hochauflösende Mikroskopie sind schon heute auf der Nanoskala angekommen. Sie benötigen daher Lichtstrahlen, die sich bei der Ausbreitung nicht verändern. Dies stellt eine große Herausforderung dar, denn Lichtstrahlen verbreitern sich typischerweise bei der Propagation (Beugung).

Das Team um Cornelia Denz hat solche, sogenannte propagations-invariante oder nicht-beugende Lichtfelder hergestellt. Sie sind robust gegenüber Störungen und zeigen selbstheilenden Eigenschaften, so dass sie neue Anwendungen wie die Lichtscheibenmikroskopie oder das laserbasierte Schneiden, Fräsen oder Bohren erheblich verbessern. Ihre robuste Ausbreitung kann Strahlverzerrungen reduzieren und Fertigungsfehler minimieren.

Dazu haben sie eine besondere Klasse von nichtbeugenden Strahlen erstmals synthetisch realisiert. Die Physiker nutzten dafür Lichtstrukturen aus, die in Regenbögen oder bei der Transmission von Licht durch Trinkgläser zu sehen sind: spektakuläre Strahlstrukturen, sogenannte Kaustiken oder helle Brennlinien. Das Team entwickelte eine weitreichende Methode, diese Kaustiken als Basis zur Erzeugung beliebiger Strukturen zu nutzen. So können sie strukturiertes kaustisches Licht mit beliebigen transversalen Formen entwerfen, anpassen und herstellen und damit auch propagations-invariant werden lassen. „Damit kann eine beliebige, gewünschte Intensitätsstruktur einfach durch die Berandung mit Brennlinien vorgegeben werden und beugt dann nicht mehr - die Beugung wird durch die Natur der Kaustiken quasi gezähmt, so dass der Strahl ohne Verbreiterung propagiert“, erläutert Cornelia Denz.

Das Team hat verschiedene ausbreitungsinvariante Formen wie Linien, Parabeln oder Astroiden, aber auch komplexe Formen wie Buchstaben demonstriert. Diese Intensitätsstrukturen sind robust gegenüber Störungen, was sie für eine sichere hochdimensionale Quantenkommunikation attraktiv machen könnte.

Die Studien-Ergebnisse des Teams wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht. Diese Publikation war die Basis für die Auswahl in die Bestenliste 2020.

Förderung

Die Studie erhielt finanzielle Unterstützung durch die National Science Foundation, die Excellence-Initiative der Universität Aix-Marseille sowie durch Universitäten Bristol, Birmingham und Münster.

Originalpublikation

A. Zannotti, C. Denz, M. A. Alonso, M. R. Dennis (2020): Shaping caustics into propagation invariant light. Nature Communications; DOI: 10.1038/s41467-020-17439-3

Artikel in der Bestenliste

Customizing Caustics, Optics and Photonics News, December 2020, p.46

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