A spectral lens for light

Tuesday, 28th February 2012Publication highlights

Links: Prinzip der Spektrallinse. Ein Lichtpuls wird in die Linse eingebracht, die dessen anfänglich breites Frequenzspektrum (rot dargestellt) zu einem schmaleren Spektrum (blau) komprimiert. Bei diesem Prozess werden die tieferen Lichtfrequenzen (entsprechend den roten Spektralfarben) stärker erhöht als die höheren Frequenzen (blaue Spektralfarben). Rechts: Konstruktion der Spektrallinse. Ein Testpuls wird in einen Lichtleiter eingekoppelt, den man sich als eine fehlende Reihe von Löchern in einer perforierten Siliziummembran vorstellen kann. Dabei dringen die roten Spektralanteile des Lichtpulses tief in die perforierten Bereiche ein, während die blauen Anteile in der Mitte des Lichtleiters konzentriert bleiben. Nun stört ein intensiver Kontrollpuls das Testlicht, allerdings nur dessen rote Spektralanteile, weil die blauen Anteile von einem dünnen Goldstreifen vor dem Kontrollpuls geschützt werden. Infolgedessen werden nur die roten Lichtanteile beeinflusst und zu höheren Frequenzen (d. h. blauen Spektralfarben) verschoben, ganz so, wie im linken Bild dargestellt.


Scientists of the Fritz Haber Institute, the Institute for Atomic and Molecular Physics (AMOLF) in Amsterdam, and the University of St Andrews have constructed a spectral lens, that is, a nanostructure that can either expand (“magnify”) or compress (“demagnify”) the spectrum of light (see left figure). Such lens could find application in spectroscopy (to improve the resolution of spectrometers) or in optical data transfer (to reduce the bandwidth of a signal of finite duration). These results will be published in one of the next issues of the esteemed journal Physical Review Letters.

How does the spectral lens work? In order to obtain spectral compression (demagnification), the scientists raise the frequency of light, but ensure that lower frequency components undergo a larger frequency shift than the higher frequencies (see left image). A photonic-crystal waveguide (see right image) is used to separate the frequencies in space: the higher frequencies are concentrated in the center of the waveguide whereas the lower frequencies spread out into the surrounding photonic crystal. The spectral lens consists of such a waveguide in combination with a shadow mask. By hitting it with an intense laser pulse (“pump” in right image), the lower frequencies are shifted more as the mask protects the waveguide center. In a first experiment, the researchers were able to compress the spectrum of an ultrashort test pulse by 12%. Much higher compression will be possible by optimizing the parameters of the structure.

D. M. Beggs,T. F. Krauss, L. Kuipers, and T. Kampfrath, Phys. Rev. Lett. 108, 033902 (2012)

URL: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.108.033902.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.033902