Lasermessverfahren für verborgene Strukturen

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 einer unregelmäßigen, komplizierten Umgebung eingebettet sind. Dort wird der Laserstrahl abgelenkt, gestreut und gebrochen, was es oft unmöglich macht, nützliche Daten aus der Messung zu erhalten.

Forscher haben nun jedoch zeigen können, dass auch in solch komplizierten Umgebungen aussagekräftige Ergebnisse erzielt werden können. Tatsächlich gibt es einen Weg, den Laserstrahl spezifisch so zu modifizieren, dass er genau die gewünschten Informationen liefert, selbst in einer komplexen, ungeordneten Umgebung – und nicht nur annähernd, sondern physikalisch optimal. Die Natur lässt keine höhere Präzision mit kohärentem Laserlicht zu. Die neue Technologie kann in sehr unterschiedlichen Anwendungsbereichen eingesetzt werden, sogar mit verschiedenen Wellarten.

„Man möchte 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, die zur Detektion von Gravitationswellen genutzt wird. Dort sendet man Laserstrahlen auf einen Spiegel, und Änderungen der Distanz zwischen Laser und Spiegel werden mit extremer Präzision gemessen.“ Das funktioniert nur so gut, weil der Laserstrahl durch ein Ultrahochvakuum geschickt wird. Jede Störung, wie klein auch immer, muss vermieden werden.

Aber was kann man tun, wenn man Störungen hat, die nicht entfernt werden können? Stellen Sie sich eine Glasscheibe vor, die nicht perfekt transparent, sondern rau und unpoliert ist wie ein Badezimmerfenster. Licht kann hindurch, aber nicht in gerader Linie. Die Lichtwellen werden verändert und gestreut, sodass wir mit bloßem Auge kein Objekt auf der anderen Seite des Fensters genau sehen können. Die Situation ist ziemlich ähnlich, wenn man winzige Objekte in biologischem Gewebe untersuchen will: Die ungeordnete Umgebung stört den Lichtstrahl. Der einfache, reguläre gerade Laserstrahl wird dann zu einem komplizierten Wellenmuster, das in alle Richtungen abgelenkt wird.

Wenn man jedoch genau weiß, was die störende Umgebung mit dem Lichtstrahl macht, kann man die Situation umkehren. Dann ist es möglich, ein kompliziertes Wellenmuster zu erzeugen, das in genau die Form transformiert wird, die benötigt wird, um die Störungen zu korrigieren, und genau dort trifft, wo es das beste Ergebnis liefern kann. Um dies zu erreichen, muss man nicht einmal genau wissen, was die Störungen sind – es reicht, zunächst eine Reihe von Testwellen durch das System zu senden, um zu untersuchen, wie sie vom System verändert werden.

Die Forscher entwickelten ein mathematisches Verfahren, das dann verwendet werden kann, um die optimale Welle aus diesen Testdaten zu berechnen. Es kann gezeigt werden, dass es für verschiedene Messungen bestimmte Wellen gibt, die ein Maximum an Informationen liefern, beispielsweise über die räumlichen Koordinaten, an denen sich ein bestimmtes Objekt befindet.

Nehmen Sie ein Objekt, das hinter einer trüben Glasscheibe versteckt ist: Es gibt eine optimale Lichtwelle, um die maximale Information darüber zu erhalten, ob sich das Objekt ein wenig nach rechts oder links bewegt hat. Diese Welle sieht kompliziert und ungeordnet aus, wird aber von der trüben Scheibe so modifiziert, dass sie am Objekt genau in der gewünschten Weise ankommt und die größtmögliche Information an das experimentelle Messgerät 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. Das Streuverhalten des Mediums wurde dadurch charakterisiert. Dann wurden die optimalen Wellen berechnet, um ein Objekt jenseits der Platte zu analysieren – dies gelang, mit einer Präzision im Nanometerbereich.

Dann führte das Team weitere Messungen durch, um die Grenzen ihrer Methode zu testen. Die Photonenzahl im Laserstrahl wurde signifikant reduziert, um zu sehen, ob man dann noch ein sinnvolles Ergebnis erhält. Auf diese Weise konnten sie zeigen, dass die Methode nicht nur funktioniert, sondern sogar physikalisch optimal ist. Sie fanden heraus, dass die Präzision ihrer Methode nur durch das sogenannte Quantenrauschen begrenzt ist. Dieses Rauschen resultiert daraus, dass Licht aus Photonen besteht – daran kann nichts geändert werden. Aber innerhalb der Grenzen, die 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.