Verborgene Objekte mit veränderten Lichtwellen vermessen

Mit Laserstrahlen lassen sich Objekte gut vermessen - vorausgesetzt es gibt ungetrübte Sicht darauf. Doch wird das Licht durch ein Hindernis abgelenkt, gestreut und gebrochen, etwa im Inneren biologischer Gewebe, ist keine exakte Messung mehr möglich. Forscher aus Wien und Utrecht berichten nun im Fachjournal "Nature Physics", wie sie einen Laserstrahl gezielt so verändern, dass er auch ein hinter einer Milchglasscheibe verborgenes Objekt präzise erfassen kann.

Eine Milchglasscheibe lässt zwar Licht durch, aber die Lichtwellen werden gestreut. Daher können dahinterliegende Objekt mit freiem Auge nur schemenhaft erkannt werden. Ähnliches passiert, wenn man Objekte im Inneren von biologischem Gewebe untersuchen will. Die ungeordnete Umgebung macht aus einem Laserstrahl ein unübersichtliches Wellenmuster, das in alle Richtungen abgelenkt wird.

Der neue Ansatz des Teams von Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien und seiner Kollegen von der Universität Utrecht (Niederlande) beruht auf der Möglichkeit, einen Laserstrahl gezielt so zu verändern, dass er in der ungeordneten Umgebung trotzdem genau die gewünschte Information liefert. Damit das gelingt muss man wissen, wie die störende Umgebung den Lichtstrahl verändert.

Dazu werden zunächst passende Wellen durch das System geschickt, um zu analysieren, wie sie dadurch verändert werden. Mit diesem Wissen und einem von den Forschern entwickelten mathematischen Verfahren kann man die Situation umkehren und ein kompliziertes Wellenmuster erzeugen. Trifft dieses dann auf die ungeordnete Umgebung, erhalten die Lichtwellen durch die Störungen genau die gewünschte Form. Dadurch kommen sie am Objekt genau auf die gewünschte Weise an und liefern das größtmögliche Maß an Information zum experimentellen Messapparat zurück.

Experimentell erwiesen

Dass die Methode tatsächlich funktioniert, haben die Forscher der Universität Utrecht experimentell bestätigt. Sie lenkten Laserstrahlen durch eine trübe Platte und konnten so deren Streuverhalten charakterisieren. Dann wurden die optimalen Wellen berechnet und mit diesen ein Objekt hinter der Platte mit einer Präzision im Nanometer-Bereich analysiert.

Indem bei weiteren Versuchen die Zahl der Photonen im Laserstrahl deutlich reduziert wurde, konnten die Forscher zeigen, dass die Methode im physikalischen Sinne optimal ist: "Wir sehen, dass die Präzision unserer Methode nur durch das sogenannte Quantenrauschen limitiert wird", erklärte Allard Mosk von der Universität Utrecht in einer Aussendung der TU.

Die Ergebnisse wurden im Rahmen eines Programms zur Vermessung von Halbleiterstrukturen im Nanometerbereich erzielt. Die neue Technologie ist nach Angaben der Wissenschafter aber in ganz unterschiedlichen Anwendungsgebieten einsetzbar, auch mit unterschiedlichen Arten von Wellen.