Quantentechnologie

Im 21. Jahrhundert wird die optische Technologie eine immer wichtigere Rolle in der Produktion spielen und gilt aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile als das Jahrhundert des Photons. Insbesondere die Quantentechnologie revolutioniert die Art und Weise, wie wir mit Licht umgehen und kann künftig in vielen Branchen eingesetzt werden. Sie bietet hohe Geschwindigkeit, Präzision und Flexibilität. Diese Eigenschaften sind besonders relevant für die Produktion und können die Effizienz, Qualität und Rentabilität von Unternehmen verbessern. Somit ist die Quantentechnologie eine Schlüsseltechnologie für die Zukunft der Produktion.

Wir passen unsere Messsysteme individuell an die Bedürfnisse unserer Kunden an. Dies beinhaltet sowohl die Anwendungs- als auch die Auswertesoftware, die die wichtige Zielgrößen übersichtlich und bedienerfreundlich darstellt.
 

Optische Kohärenztomographie (OCT)

Funktionelle Eigenschaften erfordern eine Mindestdicke, denn unnötig dicke Schichten verschwenden Ressourcen und erhöhen damit die Herstellungskosten. Zur Messung sehr dünner, semitransparenter Schichten gibt es nun eine Lösung: die Optische Kohärenztomographie (OCT). Dieses Verfahren wurde ursprünglich für die tiefenaufgelöste Visualisierung biologischer und medizinischer Materialien entwickelt.

Dank intensiver Forschung hat es sich inzwischen auch außerhalb der Medizin etabliert. Hochaufgelöste Probenquerschnitte – die mit sichtbarem Licht oder Infrarotlicht völlig zerstörungsfrei in Echtzeit erzeugt werden – machen die OCT deshalb zur idealen berührungslosen Prüftechnik für viele Anwendungen.
 

Klassische Spektroskopie und hyperspektrale Bildgebung

In der Spektroskopie wird primär untersucht, wie die zu untersuchende Probe das Spektrum des eingestrahlten Lichts verändert. Aufgrund dieser Veränderungen treffen wir Rückschlüsse auf die untersuchten Substanzen und können diese im besten Fall sogar identifizieren. Der Begriff »Licht« steht hier als Synonym für jeden beliebigen Teil des elektromagnetischen Spektrums, vom UV über Visuell bis Infrarot (Nahinfrarot (NIR), Kurzwellenlängen-Infrarot (SWIR), Langwelliges Infrarot (LWIR)) und Terahertz.

Die Ursachen der beobachteten Spektrum-Veränderung können Absorption, Emission, Fluoreszenz und der Raman-Effekt sein. Als Messanordnung können Transmission, Reflexion und ATR in Frage kommen. Während in der »klassischen« Spektroskopie Proben punktuell untersucht werden, werden in der hyperspektralen Bildgebung Probenbilder mit mindestens 100 spektralen Kanälen aufgezeichnet. Automatisierte, chemometrische Auswertemethoden unterstützen hierbei bei der Interpretation der Spektren.
 

Quanten-Messtechnik

In den vergangenen Jahrzehnten konnten große Fortschritte in der gezielten Erzeugung, Manipulation und Detektion von Quantenzuständen des Lichts erzielt werden. Optische Experimente haben hierbei eine führende Rolle gespielt, um Phänomene wie die Quantenverschränkung zu demonstrieren und für praktische Anwendungen nutzbar zu machen, was letztendlich zu einem neuen Bereich der Quantentechnologien geführt hat. Neben den bekannten Gebieten des Quantencomputings und der Quantenkommunikation spielt die Sensorik mit photonischen Quantenzuständen eine besondere Rolle in diesen Technologien, da Sie den etablierten Methoden der klassischen Lichtsensorik, wie der Spektroskopie und Mikroskopie, ähnelt und auch technologische Überschneidungen aufweist.

Im Rahmen dieser sogenannten »zweiten Quantenrevolution« hat sich insbesondere das gezielte Erzeugen von photonischen Quantenzuständen, wie zum Beispiel verschränkte Photonen, als äußerst nützlich erwiesen. Durch die Verwendung von stark korrelierten Photonenpaaren in verschiedenen Wellenlängenbereichen können Informationen in nichtlinearen Interferometern zwischen diesen Bereichen »übertragen« werden, wodurch die Wechselwirkung mit dem untersuchten Objekt und die Registrierung der Information spektral getrennt werden.

Das Fraunhofer-Leitprojekt »QUILT« hatte das Ziel, dieses Konzept in verschiedenen Wellenlängenbereichen umzusetzen und neue Messverfahren für Bildgebung, Spektroskopie und Metrologie in praktischen Anwendungen anwendbar zu machen. Dabei wurde die bisher extremste Wellenlängenspreizung erreicht, indem Photonenpaare erzeugt wurden, bei denen ein Partner im sichtbaren und der andere im Terahertzbereich lag. Mit Hilfe dieses Messprinzips konnten bereits erfolgreich Schichtdicken- und spektroskopische Informationen, die im NIR oder Terahertzbereich gesammelt wurden, in den sichtbaren Bereich übertragen und detektiert werden.

Dabei stellen diese Arbeiten bedeutende wissenschaftliche und technische Beiträge auf den Gebieten der Messtechnik, Spektroskopie und Tomografie dar und prägen den aktuellen Stand der Forschung in diesen Bereichen. Gleichzeitig eröffnen die quantenoptischen Methoden auch neue Möglichkeiten zur Weiterentwicklung klassischer Messverfahren. Dabei werden die Quantenzuständen durch klassisch generierte Zustände ersetzt, die wesentlich effektiver erzeugt werden können. Diese Umstellung ermöglicht es, Messungen deutlich schneller und effizienter durchzuführen. Darüber hinaus spielte die Entwicklung von Simulationen zur Erzeugung von Photonenpaaren und zur Auslegung nichtlinearer Interferometer eine zentrale Rolle in diesen Forschungen.