Die Grenzen der Optik verschieben

Licht hat erstaunliche Fähigkeiten. So lassen sich Photonen bei ihrer Erzeugung miteinander verschränken und damit nicht nur über große Distanzen, sondern auch über verschiedene Wellen­längen­bereiche hinweg untrennbar in ihren Eigen­schaften mitein­ander verbinden. Solche verschränkten Photonen sind die Werkzeuge der Forscher im Projekt „QUILT- Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions“. Die Wissen­schaftler nutzen sie, um quanten­optische Lösungen für bisher schwer zugängliche Wellen­längen­bereiche zu entwickeln. Denn diese liefern – neben dem Licht im sichtbaren Spektrum – wertvolle Informationen: Mit kurzwelliger Ultraviolett-Strahlung können zum Beispiel kleinste Strukturen in Zellen sichtbar gemacht werden. Infrarot­strahlung gibt Aufschluss über schädliche Gase in der Luft oder die Zusammen­setzung von Kunststoffen. Und langwellige Terahertz-Strahlung erlaubt es, die Dicke von Lack- und Farbschichten genau zu bestimmen. Entsprechend groß ist das Potenzial in der bio­medi­zinischen Diagnostik, der Material­prüfung oder der Prozess- und Umwelt­analytik. Nur ist es wesentlich aufwändiger, solche Lichtwellen zu erzeugen und zu detektieren, als bei Bildgebungs­verfahren für sichtbare Bereiche.

Vier Jahre lang haben Forscherteams an sechs Fraunhofer-Instituten gemeinsam mit externen Organisationen, begleitet von einem Beirat aus Wirtschaft und Wissenschaft, daran getüftelt, die verschränkten Photonenpaare in verschiedenen Messmethoden der Bildgebung, Spektroskopie und Metrologie zu nutzen, um Unsichtbares sichtbar zu machen. Das grundlegende Prinzip: Während ein Photon eine kamera­taugliche Wellenlänge hat, ist das andere für die Wechsel­wirkung mit dem Unter­suchungs­objekt im unsicht­baren Bereich maßge­schneidert. Durch die Verschränkung wird die vom zweiten Photon aufgenommene Information auf das erste übertragen und damit für die Kamera sichtbar gemacht.

In dem Projekt leisteten die Partner wichtige Pionier­arbeit für die wissen­schaftliche und technische Entwicklung dieses noch neuen Gebiets. Die wichtigsten Ergebnisse ihrer Arbeit: Zum ersten Mal wurde das neue Detektions­prinzip für die Terahertz-Strahlung umgesetzt. Dies könnte künftig zum Beispiel bessere Unter­suchungs­möglich­keiten von Materialien erlauben. Es wurde ein quanten­optisches Pendant zum klassischen Fourier-Transform-Spektro­meter für die Infrarot­spektro­skopie entwickelt, wie es unter anderem in der Prozess­analytik etwa zum Untersuchen von Gasproben zum Einsatz kommt.

Zudem entstand das weltweit erste Video durch Bildgebung mit nicht detektiertem Licht sowie das weltweit erste 2D-Bild, das mit Quanten Ghost Imaging mit asynchroner Detektion festgehalten und rekonstruiert wurde. Vor allem das Ghost Imaging eignet sich für biologische und medizinische Anwendungen, wo licht­empfind­liche Zellproben über einen längeren Zeitraum beobachtet werden können, weil bei dem neuen Verfahren weniger Licht zum Einsatz kommt. Das kann in der Praxis zu einer verbesserten Diagnostik beitragen.

Aus dem Projekt resultieren sieben eingereichte und erteilte Patente, vielbeachtete wissen­schaftliche Publikationen sowie Demonstratoren für die quanten­basierte Bildgebung, Spektroskopie und optische Tomographie. Mit ihnen wollen die Forscher auch weiterhin gemeinsam mit Industrie­partnern neue nichtklassische Anwendungs­felder für die quanten­basierten Methoden erkunden. Interessant sind besonders innovative Industrie­zweige wie Umwelt­techno­logien und Medizin­technik. Für den wichtigen Austausch in der inter­nationalen wissen­schaftlichen Gemeinschaft hat das QUILT-Konsortium 2018 eine jährliche Seminarreihe initiiert, die inzwischen als „Sensing with Quantum Light“ die führende Plattform in dem Fachgebiet ist.

FG / RK

Weitere Infos

• QUILT- Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., München