Neue Lasermesstechnik Das Badezimmerfenster-Problem bei Präzisionsmessungen

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Technische Universität Wien

Laserstrahlen sind wichtig für Präzisionsmessungen. Doch für ein exaktes Ergebnis muss die Umgebung störungsfrei sein. Wie man Objekte aber auch mit Störungen – also quasi hinter einem trübem Badezimmerfenster – präzise per Laser vermessen kann, haben nun Forscher aus Wien und Utrecht herausgefunden. Sie stören dazu den Laserstrahl selbst schon im Vorhinein.

Wien/Österreich, Utrecht/Niederlande – Man stelle sich einen Seemann vor, der wie betrunken den Gehweg entlang wankt. Hier an Land scheinen seine Bewegungen hinderlich, doch im richtigen Bezugssystem ergeben sie plötzlich Sinn: Denn auf seinem Schiff läuft er selbst bei größtem Wellengang schnurgerade übers Deck. Seine schwankenden Schritte gleichen das Auf und Ab des Schiffes genau aus und führen zu einem optimalen Ergebnis beim Laufen.

Ein vergleichbares Prinzip haben Forscher der Universität Utrecht (Niederlande) und der TU Wien genutzt, um Messungen mit Laserstrahlen auch in unregelmäßigen, komplizierten Umgebungen zu optimieren. Sie verändern den Laserstrahl gerade so, dass er erst durch die Störungen in dem durchstrahlten Medium das bestmögliche Messergebnis liefert, z.B. die Information, wo sich ein Objekt befindet oder ob es seine Position verändert.

Präzisionsprobleme hinter der Milchglasscheibe

Laserstrahlen sind in der Messtechnik beliebt, weil sich damit sehr genaue Experimente durchführen lassen. „Denken wir zum Beispiel an die riesengroße LIGO-Anlage, 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“, sagt Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. Das gelingt allerdings nur deshalb so gut, weil sich dort der Laserstrahl durch ein Ultrahochvakuum ausbreitet. Jede noch so kleine Störung soll vermieden werden.

Doch was kann man tun, wenn man es mit Störungen zu tun hat, die sich nicht entfernen lassen? „Stellen wir uns eine Glasscheibe vor, die nicht perfekt transparent, sondern rau und unpoliert ist wie ein Badezimmerfenster“, veranschaulicht Allard Mosk von der Universität Utrecht. „Sie lässt zwar Licht durch, aber nicht auf einer geraden Linie. Die Lichtwellen werden verändert und gestreut, daher können wir ein Objekt auf der anderen Seite der Glasscheibe mit freiem Auge nicht genau erkennen.“ Ganz ähnlich ist die Situation, wenn man winzige Objekte im Inneren von biologischem Gewebe untersuchen will: Die ungeordnete Umgebung stört den Lichtstrahl. Aus dem einfachen, regelmäßig-geraden Laserstrahl wird dann ein unübersichtliches Wellenmuster, das in alle Richtungen abgelenkt wird und keine genaue Information mehr liefern kann.

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Gezielt gestörte Wellen für optimale Messungen

Wenn man allerdings weiß, was die störende Umgebung im Detail mit dem Lichtstrahl macht, kann man die Situation umkehren: Dann nämlich ist es möglich, statt des einfachen, geraden Laserstrahls ein kompliziertes Wellenmuster zu erzeugen, das erst 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“, sagt Dorian Bouchet, der Erstautor der Studie. „Es genügt, zuerst passende Wellen durch das System zu schicken, um damit zu untersuchen, wie sie durch das System verändert werden.“

Die Wissenschaftler aus Utrecht und Wien entwickelten ein mathematisches Verfahren, mit dem man aus solchen Testdaten die optimale Welle berechnen 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“, führt Bouchet aus.

Wenn man beispielsweise weiß, dass sich hinter einer trüben Milchglasscheibe ein Objekt verbirgt, gibt es eine optimale Lichtwelle, mit der man das Maximum an Information darüber erhalten kann, ob sich das Objekt ein bisschen nach rechts oder ein bisschen nach links bewegt hat. Diese Welle sieht kompliziert und ungeordnet aus, wird aber von der Milchglasscheibe exakt so verändert, dass sie beim Objekt genau auf die gewünschte Weise ankommt und das größtmögliche Maß an Information zum experimentellen Messapparat liefert.

Physikalisch bestmögliches Ergebnis

Dass die Methode tatsächlich funktioniert, habe die Wissenschaftler an der Universität Utrecht experimentell bestätigt: Sie lenkten Laserstrahlen durch ein ungeordnetes Medium in Form einer trüben Platte. So charakterisierten sie Streuverhalten des Mediums und berechneten dann die optimalen Wellen, um ein Objekt jenseits der Platte zu analysieren. Das gelang ihnen mit einer Präzision im Nanometer-Bereich.

Anschließend lotete das Team Grenzen der Methode aus: Die Zahl der Photonen im Laserstrahl wurde deutlich reduziert, um zu sehen, ob man immer noch ein sinnvolles Ergebnis bekommt. Dadurch zeigten die Forscher, dass die Methode nicht nur funktioniert, sondern sogar im physikalischen Sinne optimal ist: „Wir sehen, dass die Präzision unserer Methode nur durch das so genannte Quantenrauschen limitiert wird“, erklärt der Utrechter Forscher Mosk. „Dieses Rauschen ergibt sich aus der Tatsache, dass Licht aus Photonen besteht – daran kann man nichts ändern. Doch im Rahmen dessen, was uns die Quantenphysik für einen kohärenten Laserstrahl erlaubt, können wir tatsächlich die optimalen Wellen berechnen, um unterschiedliche Dinge zu messen: Nicht nur die Position, sondern auch die Bewegung oder die Drehrichtung von Objekten.“

Einsatzbereiche für die neue Technik sieht das Team in unterschiedlichen Bereichen: Sie könnte beispielsweise in der Mikrobiologie zum Einsatz kommen, aber auch in der Herstellung von Chips, wo extrem präzise Messungen ebenfalls unverzichtbar sind.

Originalpublikation: D. Bouchet, S. Rotter, A.P. Mosk; Maximum information states for coherent scattering measurements, Nature Physics (2021). DOI: 10.1038/s41567-020-01137-4

* Dr. F. Aigner, Technische Universität Wien, 1040 Wien

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