Optimale Information über das Unsichtbare

Laserstrahlen können verwendet werden, um die Position oder Geschwindigkeit eines Objekts präzise zu messen. Normalerweise ist jedoch eine klare, ungehinderte Sicht auf dieses Objekt erforderlich – und diese Voraussetzung ist nicht immer erfüllt. In der Biomedizin werden beispielsweise Strukturen untersucht, die in eine unregelmäßige, komplizierte Umgebung eingebettet sind. Dort wird der Laserstrahl abgelenkt, gestreut und gebrochen, was es oft unmöglich macht, verwertbare Daten aus der Messung zu gewinnen.

Forscher konnten nun jedoch zeigen, dass auch in solch komplizierten Umgebungen aussagekräftige Ergebnisse erzielt werden können. Tatsächlich gibt es eine Möglichkeit, den Laserstrahl gezielt so zu modifizieren, dass er auch in einer komplexen, ungeordneten Umgebung genau die gewünschte Information liefert – und zwar nicht nur annähernd, sondern physikalisch optimal. Mehr Präzision lässt die Natur mit kohärentem Laserlicht nicht zu. Die neue Technologie kann in sehr unterschiedlichen Anwendungsbereichen eingesetzt werden, auch bei unterschiedlichen Wellenarten.

„Man will immer die bestmögliche Messgenauigkeit erreichen – das ist ein zentrales Element der Naturwissenschaften“, sagt Stefan Rotter von der TU Wien. „Denken wir zum Beispiel an die riesige LIGO-Anlage, mit der Gravitationswellen nachgewiesen werden. Dort schickt man Laserstrahlen auf einen Spiegel, und die Abstandsänderungen zwischen Laser und Spiegel werden hochpräzise gemessen.“ Das funktioniert nur so gut, weil der Laserstrahl durch ein Ultrahochvakuum geschickt wird. Jede noch so kleine Störung muss vermieden werden.

Doch was tun bei nicht behebbaren Störungen? Stellen Sie sich eine Glasscheibe vor, die nicht perfekt transparent, sondern rau und unpoliert ist wie ein Badezimmerfenster. Licht kann passieren, aber nicht in einer geraden Linie. Die Lichtwellen werden verändert und gestreut, sodass wir mit bloßem Auge ein Objekt auf der anderen Seite des Fensters nicht genau erkennen können. Ganz ähnlich sieht es aus, wenn man winzige Objekte im Inneren biologischen Gewebes untersuchen will:Die ungeordnete Umgebung stört den Lichtstrahl. Der einfache, regelmäßige gerade Laserstrahl wird dann zu einem komplizierten Wellenmuster, das in alle Richtungen abgelenkt wird.

Wenn Sie jedoch genau wissen, was die störende Umgebung mit dem Lichtstrahl macht, können Sie die Situation umkehren. Dann ist es möglich, ein kompliziertes Wellenmuster zu erzeugen, das genau in die Form gebracht wird, die zur Korrektur der Störungen benötigt wird, und genau dort trifft, wo es das beste Ergebnis liefern kann. Um dies zu erreichen, müssen Sie nicht einmal genau wissen, was die Störungen sind, es reicht aus, zuerst eine Reihe von Testwellen durch das System zu schicken, um zu untersuchen, wie sie vom System verändert werden.

Die Forscher entwickelten ein mathematisches Verfahren, mit dem sich aus diesen Testdaten die optimale Welle berechnen lässt. Es lässt sich zeigen, dass es für verschiedene Messungen bestimmte Wellen gibt, die ein Maximum an Informationen liefern, wie zB über die Raumkoordinaten, an denen sich ein bestimmtes Objekt befindet.

Nehmen Sie ein Objekt, das sich hinter einer trüben Glasscheibe verbirgt:Es gibt eine optimale Lichtwelle, die genutzt werden kann, um die maximale Information darüber zu erhalten, ob sich das Objekt ein wenig nach rechts oder ein wenig nach links bewegt hat. Diese Welle sieht kompliziert und ungeordnet aus, wird dann aber durch die trübe Scheibe so modifiziert, dass sie genau wie gewünscht am Objekt ankommt und möglichst viele Informationen an die experimentelle Messapparatur zurückgibt.

Dass die Methode tatsächlich funktioniert, wurde experimentell an der Universität Utrecht (Utrecht, Niederlande) bestätigt. Laserstrahlen wurden durch ein ungeordnetes Medium in Form einer trüben Platte geleitet. Dadurch wurde das Streuverhalten des Mediums charakterisiert. Dann wurden die optimalen Wellen berechnet, um ein Objekt jenseits der Platte zu analysieren – das gelang mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich.

Anschließend führte das Team weitere Messungen durch, um die Grenzen ihrer Methode auszutesten. Die Anzahl der Photonen im Laserstrahl wurde deutlich reduziert, um zu sehen, ob man dann noch ein aussagekräftiges Ergebnis erhält. So konnten sie zeigen, dass die Methode nicht nur funktioniert, sondern auch physikalisch optimal ist. Sie fanden heraus, dass die Genauigkeit ihrer Methode nur durch das sogenannte Quantenrauschen begrenzt wird. Dieses Rauschen entsteht dadurch, dass Licht aus Photonen besteht – dagegen lässt sich nichts machen. Aber innerhalb der Grenzen dessen, was die Quantenphysik für einen kohärenten Laserstrahl zulässt, können wir tatsächlich die optimalen Wellen berechnen, um verschiedene Dinge zu messen. Nicht nur die Position, sondern auch die Bewegung oder die Drehrichtung von Objekten.