Die Vermessung des Unsichtbaren
Maße und Vermessung von Objekten, die unter gewöhnlichen Umständen nicht sichtbar sind. TU-Wien und Universität Utrecht entwickeln neue Methode mit speziellen Lichtwellen.
Laserstrahlen können präzise messen, wo sich ein Objekt befindet, oder ob es seine Position verändert. Normalerweise braucht es dazu allerdings freie, ungetrübte Sicht auf dieses Objekt – und diese Voraussetzung ist nicht immer gegeben. In der Biomedizin sollen etwa oft Strukturen untersucht werden, die in eine unregelmäßige, „komplizierte“ Umgebung eingebettet sind. Dort wird der Laserstrahl dann abgelenkt, gestreut und gebrochen – und damit ist kein sinnvolles Messergebnis mehr möglich.
Publikation im renommierten Fachjournal „Nature Physics“
Die Universität Utrecht (Niederlande) und die TU Wien haben nun einen neuen Ansatz entwickelt, mit der Möglichkeit, den Laserstrahl gezielt so zu verändern, dass er in der komplexen, ungeordneten Umgebung trotzdem genau die gewünschte Information liefert – und zwar nicht nur ungefähr, sondern auf physikalisch optimale Weise. Mehr Präzision lässt die Natur bei kohärentem Laserlicht gar nicht zu. Die neue Technologie ist in unterschiedlichen Anwendungsgebieten einsetzbar und zudem auch mit unterschiedlichen Arten von Wellen, so die TU-Wien in einer Aussendung. Die neue Methode wurde im international renommierten Fachjournal „Nature Physics“ präsentiert.
„Denken wir zum Beispiel an große Anlage (Anm. LIGO), mit der man Gravitationswellen nachweisen kann: Dort sendet man Laserstrahlen auf einen Spiegel, um Variationen im Abstand zwischen Laser und Spiegel mit extremer Präzision zu messen. Das gelingt nur deshalb so gut, weil sich dort der Laserstrahl durch ein Ultrahochvakuum ausbreitet. Jede noch so kleine Störung soll vermieden werden“, erläutert Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien.
Die optimale Welle
Doch was bei nicht entfernbaren Störungen? „Nehmen wir eine nicht transparente Glasscheibe. Lichtwellen werden verändert und gestreut, daher können wir ein Objekt auf der anderen Seite der Glasscheibe mit freiem Auge nicht genau erkennen“, so Allard Mosk von der Universität Utrecht. Ähnlich ist die Situation bei winzigen Objekten im Inneren von biologischem Gewebe: Die ungeordnete Umgebung stört den Lichtstrahl. Aus dem regelmäßig-geraden Laserstrahl wird ein unübersichtliches Wellenmuster, abgelenkt in alle Richtungen.
Wenn aber bekannt ist, was die störende Umgebung mit dem Lichtstrahl macht, kann die Situation umkehrt werden: Hier ist es möglich, statt des einfachen, geraden Laserstrahls ein kompliziertes Wellenmuster zu erzeugen, das durch die Störungen genau die gewünschte Form erhält und genau dort auftrifft, wo es das beste Resultat liefern kann. „Um das zu erreichen, muss man die Störungen nicht einmal genau kennen“, erklärt Dorian Bouchet, Erstautor der Studie. „Es genügt, zuerst passende Wellen durch das System zu schicken, um damit zu untersuchen, wie sie durch das System verändert werden.“
Einsatz in ganz unterschiedlichen Bereichen
Die an dieser Arbeit beteiligten Wissenschaftler entwickelten gemeinsam ein mathematisches Verfahren, mit dem aus diesen Testdaten dann die optimale Welle berechnen werden kann: „Man kann zeigen, dass für verschiedene Fragestellungen bestimmte Wellen existieren, die ein Maximum an Information bringen: Etwa über die Raumkoordinaten, an denen sich ein bestimmtes Objekt befindet“, unterstreicht Bouchet. Dass die Methode tatsächlich funktioniert, wurde an der Universität Utrecht experimentell bestätigt
Diese Ergebnisse wurden im Rahmen eines Programms zur Vermessung von Halbleiterstrukturen im Nanometerbereich erzielt, bei dem Universitäten mit der Industrie zusammenarbeiten. Tatsächlich sieht das Team mögliche Einsatzbereiche für diese neue Technik in ganz unterschiedlichen Bereichen wie z.B. in der Mikrobiologie, aber etwa auch in der Herstellung von Chips, wo extrem präzise Messungen ebenfalls unverzichtbar sind.