Automatische Lichttrennung für Mikroskope der Zukunft

Teilweise kohärentes Licht wird in optischen Systemen häufig als Störfaktor betrachtet, birgt jedoch erhebliches Potenzial für künftige Mikroskopieverfahren, astrophysikalische Anwendungen und die Satellitenkommunikation. Ein internationales Forschungsteam der Stanford University und des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) hat ein photonisches System entwickelt, das teilweise kohärentes Licht autonom in seine inhärenten Moden separiert und es dadurch prozessierbar macht.

Während die Erfindung des Lasers auf kohärentem Licht mit einer definierten Wellenlänge und phasengleichen Schwingungen basiert, emittieren die meisten natürlichen Lichtquellen Strahlung von partieller Kohärenz. „Im Gegensatz zu Laserlicht ist Licht aus den meisten Quellen nur teilweise kohärent“, sagt Prof. Charles Roques-Carmes. „Obwohl teilweise kohärentes Licht weit verbreitet ist, wurde es in technischen Anwendungen oft als Nachteil betrachtet. Künftige Fortschritte in der optischen Informationsverarbeitung und Mikroskopie werden jedoch wahrscheinlich Werkzeuge erfordern, mit denen sich partielle Kohärenz messen und verarbeiten lässt – und vielleicht auch als Ressource nutzen.“

Statische Grundlagen und räumliche Kohärenz

Zur mathematischen Beschreibung und Veranschaulichung der Kohärenzeigenschaften zwischen separaten Strahlenbündeln nutzen Physiker statistische Korrelationen. „Eine Möglichkeit, das Verhalten von kohärentem und inkohärentem Licht zu untersuchen, ist die Analyse statistischer Korrelationen – ähnlich wie beim Würfeln mit zwei Würfeln“, sagt Mor.

Dieser stochastische Ansatz lässt sich direkt auf die Lichtfelder übertragen: Korrelierte und unkorrelierte Zustände entsprechen den Extremen der vollständigen Kohärenz beziehungsweise Inkohärenz, während partielle Kohärenz durch intermediäre Korrelationsgrade charakterisiert ist. Der Fokus des entwickelten Systems liegt auf der räumlichen Kohärenz, welche die Phasenbeziehungen an unterschiedlichen Punkten des Wellenfeldes quantifiziert. „Bei der Entwicklung unserer Technologie hat uns die Chip-Industrie einen wichtigen Schub gegeben“, sagt Roques-Carmes.

Photonische Integration und Systemarchitektur

Da die Nutzung partieller Kohärenz bislang analytisch vernachlässigt wurde, fehlten adäquate Hardware-Architekturen. Erst moderne Methoden der Halbleiterfertigung erlauben die Realisierung hochkomplexer optischer Schaltungen auf minimaler Grundfläche.

„Es ist selten, dass die Hardwareindustrie bereit ist, bevor es die Anwendung ist“, sagt Roques-Carmes. „Dank der Fortschritte in der photonischen Chip-Industrie können wir heute Hunderte optische Komponenten auf einem einzigen Chip integrieren, der nur wenige Quadratmillimeter groß ist. Mit herkömmlicher Optik wären für dieselbe Funktionalität Hunderte Spiegel und weitere Komponenten nötig, die über einen optischen Tisch verteilt wären. Ein solches System wäre außerordentlich schwierig auszurichten und zu stabilisieren – sofern es überhaupt realisierbar wäre.“

Das realisierte System basiert auf einem rekonfigurierbaren, zweilagigen photonischen Netzwerk mit Mach-Zehnder-Interferometern, welche passive Strahlteiler zur kohärenten Strahlführung nutzen. Durch die Interferenz überlappender UV-Strahlen zweier unabhängiger Laser am Chip-Eingang wird partielles Licht generiert, welches der integrierte Schaltkreis analysiert. „Der Chip kann die Kohärenz-Eigenschaften des eingehenden Lichts ‚sehen‘ und automatisch feststellen, dass sich am Eingang mehrere Strahlenbündel befinden“, sagt Roques-Carmes.
„Während sich das Licht durch den photonischen Schaltkreis bewegt, trennt der Chip es in Echtzeit in seine Bestandteile auf und ‚recycelt‘ es so gewissermaßen in physisch getrennte Ausgänge“, ergänzt Mor.

Sensorik, Astrophysik und zukünftige Anwendungen

Die Validierung der Technologie eröffnet neue Anwendungsfelder in der optischen Signalverarbeitung – insbesondere bei der Datenübertragung durch turbulente Medien wie die Erdatmosphäre in der Satellitenkommunikation. Um die Detektionsempfindlichkeit bei extrem schwachen optischen Signalen zu maximieren, treibt die Forschungsgruppe am ISTA die Skalierung der photonischen Hardware voran.

„Wir lassen gerade eine neue Chip-Generation fertigen, die am ISTA eingerichtet und betrieben werden soll. Wir wollen unsere Chips so effizient wie möglich machen, damit jedes Photon zählt“, sagt Roques-Carmes. „Stellen Sie sich vor, sie betrachten ein sehr weit entferntes Objekt im Weltraum. Das Licht solcher Objekte ist meist extrem schwach. Unsere Chips sollen es Astronom:innen ermöglichen, bereits mit wenigen detektierten Photonen Erkenntnisse zu gewinnen – etwa den Durchmesser eines Sterns zu messen oder Exoplaneten auf einer Umlaufbahn darum nachzuweisen.“

„Wir arbeiten an größeren und schnelleren Chips mit zusätzlichen Moden. Außerdem wollen wir neue Anwendungen entwickeln, etwa ein Mikroskop in enger Zusammenarbeit mit Biolog:innen am ISTA“, ergänzt Mor.

Quelle

Institute of Science and Technology Austria (11/2025)