Winzige Mikroskope, scharfe Laserstrahlen, rasante Lichtschalter

  • 05. January 2018

Jahresrückblick Optik und Photonik 2017.

Kleiner, schneller, schärfer – Von neuen Laser­typen über hochauf­lösende Mikro­skope bis zu fili­granen Photo­sensoren und brillanten Leucht­dioden hatte das Jahr viele Fort­schritte auf den Feldern der Optik und Photonik zu bieten. So gelang es Forschern der Uni Göttingen, die Auf­lösung in der Fluores­zenz­­mikro­skopie zu ver­doppeln, ohne dabei Kompro­misse hin­sicht­­lich der Geschwin­­dig­keit oder andere Ein­­schrän­kungen hin­nehmen zu müssen. Mit Thulium-dotierten Nano­kristallen ermöglichte ein Team an der Universität Sydney, die notwendigen Belich­tungs­­inten­si­täten bei der STED-Mikro­skopie deutlich zu verringern. Und am Karls­ruher Institut für Techno­logie konnte die Fluoreszenz­mikroskopie um die STEDD-Nanoskopie – Stimu­­lated Emission Double Deple­tion – erweitert werden, um eine bessere Bild­qualität bei der Analyse drei­dimensional ange­ordneter Moleküle und Zell­strukturen zu erzielen.

Abb.: Eine 3D-LED aus Galliumnitrid LED im Rasterelektronenmikroskop (Bild: J. Ledig, TU Braunschweig)

Abb.: Eine 3D-LED aus Galliumnitrid LED im Rasterelektronenmikroskop (Bild: J. Ledig, TU Braunschweig)

Für eine genauere Analyse von Gewebe etwa bei der endo­skopischen Krebs­diagnose konstruierten Forscher vom Leipniz-Institut für pho­tonische Techno­logien in Leipzig ein Mikroskop im Kugel­schreiber­format. Es basierte auf einem spezi­ellen Typ optischer Fasern aus mehreren Tausend licht­­leitenden Elementen. Ebenfalls nur wenige Millimeter maß ein neues Lichtmikroskop von Forschern der TU Braun­schweig, um das Innere lebender Zellen in Echtzeit zu beobachten. Diese günstigen Mikro­skope haben sogar das Potenzial, in naher Zukunft in Smart­phones integriert zu werden. Mit einem photo­nischen Wellen­leiter-Chip – entwickelt an der Univer­sität Bielefeld – sollen herkömm­liche Mikro­skope über fluores­zierende Moleküle auf günstige Weise Bilder mit einer Auflösung von bis zu zwanzig Nano­metern gewinnen.

Laser immer kompakter

Der Trend zu kleineren, kompakten Systemen setzte sich auch bei der Entwicklung von Lasern fort. Ohne Spiegel kam ein neuartiger, platz­sparender Infrarot-Laser aus hauch­dünner Halbleiter­membran aus, der mit Hilfe exo­tischer Resonanzen arbeitete. Die Bauweise des optisch ange­regten Lasers und seine variable Wellen­länge machen ihn für viele Anwen­dungen von optischen Fallen und Pinzetten, für Biosen­soren und für die Quanten­informations­­verarbeitung interes­sant. Kleinere und günstige multi­modale Laser­systeme hatten Forscher der North­western Univer­sity mit einem Gitter aus Gold-Nano­partikeln im Blick. Ihnen gelang es, mehrere Laser­frequenzen mit einem einzigen Mikro­gitter zu erzeugen und boten damit eine Alternative zur bisherigen Kombination mehrerer Laser, die jeweils nur Licht einer Wellenlänge emittieren.

Nanolaser

Abb.: Mikrostrukturen eines Tera­hertz-Lasers mit nahe­zu ver­dop­pel­ter In­ten­si­tät (künst­le­ri­sche Dar­stel­lung; Bild: A. Kha­lat­pour et al., MIT).

Mit nur zehn Millihertz Linien­breite erzeugten Wissen­schaftler an der PTB in Braunschweig gemeinsam mit US-Kollegen den wahr­scheinlich schärften Laser­strahl der Welt. Herzstück des Proto­typs war ein 21 Zentimeter langer Fabry-Pérot-Reso­nator aus Sili­zium. Er soll die Qualität von op­tischen Atom­­uhren ver­bessern und neue Präzi­sions­­messungen an ultra­­kalten Atomen ermöglichen. Am Massa­­chusetts Insti­tute of Techno­­logy schafften es Qing Hu und Kollegen, die Inten­sität eines Quanten­kaskadenlasers – eine noch recht junge Klasse von Licht­­quellen für Infrarot- und Tera­hertz­­strahlung – nahezu zu verdoppeln. Aufgebaut war er aus Dutzenden nur wenige Nano­meter dünnen Schichten aus Verbin­dung­s­halb­leitern wie Gallium­arsenid und Aluminium­­gallium­arsenid. Und eine völlig neue Laser-Klasse mit einstell­baren Wellen­längen lockte mit dem Einsatz von Perowskit-Mate­rialien, die sich bereits bei der Entwicklung von Solar­zellen bewährt hatten. Erste Proto­typen an der Penn­sylvania State University emit­tierten für etwa eine Stunde Laserpulse im nahen Infrarot­bereich und wiesen den Weg zu sta­bilen Perowskit-Lasern auf.

Potenzial der Frequenz­kämme

Um spektro­skopische Analysen mit kurzen Laser­pulsen zu beschleunigen, setzten Physiker der ETH Zürich auf einen doppelten Frequenz­kamm mit nur einem Laser. Die Forscher setzten dazu einen doppel­­brechenden Kristall in einen Laser ein, wodurch das Licht je nach Pola­ri­sierung etwas verschiedene Wege zurück­legt. Die beiden so entstehenden Laser­­strahlen weisen dadurch leicht unter­­schiedlichen Puls­perioden auf und Frequenz­kämme mit verschiedenen Frequenz­abständen entstanden. Um den zeit­lichen Verlauf von Licht­wellen besser zu kontrol­lieren, entwickelten Forscher aus Regens­burg, Marburg und Ann Arbor eine Methode, um Licht­­wellen, die von beschleu­nigten Elektronen in einem Festkörper abge­strahlt werden, mit Hilfe der Kristall­symmetrie maßzu­­schneidern. Mit diesem Wellendesign hoher Harmonischer sollen Bewe­gungen von Elektronen bald noch genauer beobachtet werden können. Atto­sekunden­pulse könnten ebenso die Über­tragung großer Daten­mengen per Glasfaser­kabel beschleunigen. Die Grundlage dazu legten deutsche und israe­lische Forscher mit Licht­strudeln, die sich nach einem Beschuss mit Femto­sekunden-Laserpulse auf einer filigran struk­turierten Goldober­fläche bildeten.

Abb.: Illustration der spiralförmigen Bewegung einer durch Licht angeregten Elektronenwelle auf einer Metalloberfläche. (Bild: Univ. Stuttgart)

Abb.: Illustration der spiralförmigen Bewegung einer durch Licht angeregten Elektronenwelle auf einer Metalloberfläche. (Bild: Univ. Stuttgart)

Auf dem Weg zu einer immer schnellere optische Datenüber­tragung erzielten im vergan­genen Jahr Wissen­­schaftler am Karlsruher Institut für Tech­no­logie KIT und an der École Poly­tech­nique Fédérale de Lau­sanne EPFL einen neuen Rekord. Mit Frequenz­kämmen erzeugten sie 179 optische Träger­wellen, über die mehr als 50 Terabit pro Sekunde trans­portieren ließen. Rasante pho­tonische Schalt­kreise hatte ein inter­nationales Team um Forscher der Univer­sität Jena mit einem optischen Turbo-Schalter aus Meta­material im Sinn. Dieser wechselte bis zu 100 Milliarden Mal pro Sekunde zwischen Reflexion und Absorp­tion von einfal­lendem Licht. Ebenfalls in Jena gelang die Konstruk­tion einer Nano­antenne für optische Schalt­kreise. Mit dieser Antenne konnten die Forscher daten­tragende Signale gezielt sortieren und weiterleiten.

Einbahnstraße für Licht

Um elek­tronische Daten­pulse in optische umzu­wandeln und auf Glasfasern zu übertragen, erschufen schweizerische Wissenschaftler einen opto­elektronischen Chip rein aus Metall. Der rasante Modulator aus Gold erreichte dabei rekord­verdächtige Daten­raten von bis zu 116 Gigabit pro Sekunde. Interessant für die Quanten­informations­technologien war eine Einbahn­straße für Licht, die ein Team um Ignacio Cirac vom MPI für Quanten­optik in Garching konzipiert hatte. Mit ihrem optischen Analogon zu einem topo­logischen Isolator ebneten sie den Weg hin zu einem uni­direk­tio­nalen Wellen­­leiter, mit dem sich daten­tragende Licht­signale besser kontrol­lieren ließen. Eine exakte Kontrolle von Photonen erreichten auch MIT-Forscher mit speziell geformten photo­nischen Kristallen. In diesen ließen sie einzelne Photonen über den Kerr-Effekt mit­einander wechsel­wirken.

Abb.: Schematische Darstellung des metallischen Modulators: Links trifft ein kontinuierlicher Lichtstahl auf ein metallisches Gitter und wird dort gebrochen, rechts verlässt ein optischer Datenpuls das Bauteil. (Bild: ETHZ)

Abb.: Schematische Darstellung des metallischen Modulators: Links trifft ein kontinuierlicher Lichtstahl auf ein metallisches Gitter und wird dort gebrochen, rechts verlässt ein optischer Datenpuls das Bauteil. (Bild: ETHZ)

2017 rückte auch die Reali­sierung zukünf­tiger Photonik-Chips immer näher. An der TU Eindhoven entstand dazu eine hoch­effiziente Nano-LED, die innerhalb eines Chips Übertragungs­raten von mehreren Gigabit pro Sekunde ermög­lichen sollte. Die aus mehreren Halbleiter­schichten aufge­baute Diode hatte die Form einer Säule mit einer winzigen Grundfläche von wenigen hundert Quadrat­­nanometern und einer Höhe von etwa andert­halb Mikro­metern. Flächige Licht­quellen aus organischen Leuchtdioden – kurz OLED – könnten dank einer im vergan­genen Jahr erstmals genutzten Material­klasse aus metall­organischen Komplexen noch effizienter werden. Mit einer Quanten­­effizienz von nahezu 100 Prozent über­flügelten die lichtaktiven Moleküle in Form von winzigen Propellern die etablierte OLED-Techno­logie deutlich. Und auch Quanten­punkte aus Kohlen­stoff-Nano­teilchen zeigten ihr Potenzial als Quelle für Fluoreszenzlicht. Die Licht­emission der an der Univer­sität München entwickelten C-Dots ließ sich exakt über den Einbau von Stickstoff­atomen gezielt steuern.

Vielfalt der Sensoren

Nano­partikel bewiesen 2017 auch für die Entwicklung von Sensoren ihr großes Potenzial. Bis auf Femto­meter genau konnte ein Detektor aus einem licht­aktiven Quantenpunkt und einem Nanodraht messen. Die Wellen­länge des vom Quanten­punkt emittierten Lichts änderte sich im Abhängig­keit der auf ihn wirkenden Spannungen. Forscher der Univer­sität Stuttgart stellten über ein 3D-Druck­verfahren direkt auf einen hoch­auf­­lösenden CMOS-Chip einen ganzen Satz von Mikro-Objektiv­­linsen her. So entstand ein Lichtsensor mit Adlerblick, der in sich ver­schiedene Brenn­weiten entsprechend eines Weitwinkels- und eines Tele­objektivs vereint. Eine genaue Intensitäts­messung über einen weiten Spektral­bereich gelang am Caltech in Pasadena mit einem eher unge­wöhnlichen Sensortyp. Die Forscher nutzten ein Thermo­elektrikum als Licht­sensor, das auf Temperatur­differenzen – verursacht durch variable Reflexion und Absorption von Lichtwellen – mit Varia­tionen elek­trischer Spannungen reagierte.

Abb.: Photoeffekt: Kurze Laserpulse offenbaren eine verblüffende Dynamik der Elektronen nach der Anregung mit Licht  (Bild: U. Bielefeld)

Abb.: Photoeffekt: Kurze Laserpulse offenbaren eine verblüffende Dynamik der Elektronen nach der Anregung mit Licht  (Bild: U. Bielefeld)

Grund­legende neue Einblicke in die Photonik gelang Physikern der Univer­­sität Biele­feld. Sie entdeckten neue Details im eigentlich umfassend beschrie­benen Photo­effekt. Ihre Studie zeigte, dass schnellere Elektronen nach einer Anregung mit Licht erst mit Verzö­gerung emittiert werden im Unter­schied zu langsamen Elektronen. Dass Photonen indirekt auf Magnet­felder reagieren können, belegten Forscher der ETH in Zürich. Über die Erzeugung von Polari­tonen ließen sich eigent­lich gegenüber elektro­­magne­tischen Feldern unempfind­­liche Photonen beein­flussen. Und an der TU Wien widmeten sich Forscher der Licht­streuung in diffusen Medien wie etwa Milch. Ihr verblüf­fendes Ergebnis: Egal wie durch­sichtig oder undurch­sichtig ein Medium war, legte das Licht darin immer dieselbe Weg­strecke zurück.

Jan Oliver Löfken

JOL

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