Faszinierende Holografie – digital und leistungsstärker denn je
Jeder hat schon mal ein Hologramm gesehen, ob auf einem Geldschein, einem Personalausweis oder bei Star Wars. Die Holografie ist eine leistungsstarke 3D-Fotografietechnik. Edoardo Vicentini und Nathalie Picqué vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching haben ihr nochmal einen neuen Schub versetzt, indem sie sie mit der Technik der Frequenzkämme verknüpft haben. Das ermöglicht noch bessere 3D-Bilder mit ungeahnten Eigenschaften und neue optische Diagnosemöglichkeiten.
Ein optischer Frequenzkammgenerator sendet eine regelmäßige Folge von kurzen Laserpulsen aus. Sein Spektrum besteht aus einer großen Anzahl von exakt gleichmäßig verteilten scharfen Spektrallinien, die wie ein Kamm anmuten. Solche Frequenzkämme können die Frequenz von Licht mit hoher Präzision bestimmen. Theodor Hänsch, Leiter der Abteilung Laserspektroskopie am MPQ, erhielt für diese Erfindung 2005 den Nobelpreis für Physik. Später entwickelte die Gruppe um Nathalie Picqué am MPQ die „Zwei-Kamm Spektroskopie“. Diese Methode verwendet alle Spektrallinien eines Frequenzkammes, um eine Probe in einem breiten Spektralbereich zu untersuchen, und kombiniert dies mit einem zweiten Frequenzkamm mit leicht unterschiedlichem Abstand. Das resultierende Interferenzmuster detektiert das Team mit einem schnellen Photodetektor.
Mit ihrer neuen Bildgebungsmethode, der „hyperspektralen digitalen Holografie“, erweitert die Gruppe diese Interferenzmethode auf die holografische Bildgebung. Das Prinzip des Einsatzes zweier Frequenzkämme bleibt dasselbe. Doch anstelle des Photodetektors wird hier eine Kamera eingesetzt. Sie registriert ein räumliches Interferenzmuster, das sich mit der Zeit ändert, weil die beiden Laser ihre Pulse mit unterschiedlichem zeitlichen Abstand aussenden. Ein Computer berechnet das Hochfrequenzspektrum des Interferenzsignals für jedes Pixel. Diese Spektren werden in einem Stapel digitaler Hologramme kombiniert.
Zwei-Kamm-Interferometer liefern atemberaubende Ergebnisse in der Spektroskopie und in der Entfernungsmessung. Die einzigartige Kombination aus breiter spektraler Bandbreite, langer zeitlicher Kohärenz und Multi-Heterodyn-Detektion bietet der Holografie leistungsstarke neue Funktionen. Die Technik von Vicentini und Picqué wird wahrscheinlich neue Möglichkeiten in der abtastfreien Wellenfrontrekonstruktion und der dreidimensionalen Metrologie eröffnen. Darüber hinaus könnte die Methode Potenzial für die Mikroskopie biologischer Proben haben.
Prof. Dr. Joachim Ullrich, noch bis Ende April Präsident der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und Vorsitzer des Helmholtz-Fonds, sagt: „Ich bin beeindruckt von der hohen wissenschaftlichen Innovationskraft beider Gruppen.“ Seine designierte Nachfolgerin, Prof. Dr. Cornelia Denz, die zum 1. Mai beide Ämter von Ullrich übernimmt, ergänzt: „Die beiden Arbeiten zeigen uns das breite Spektrum auf, das die Optik als eine der wichtigsten Gebiete der Physik im 21. Jahrhundert bietet.“
Helmholtz-Preis 2022, Kategorie „Präzisionsmessungen in der angewandten Messtechnik“
Dr. Nathalie Picqué, Dr. Edoardo Vicentini für ihre Arbeit „Hyperspektrale digitale Holographie mit zwei Kämmen“
Die wissenschaftliche Veröffentlichung
N. Picqué, E. Vicentini et al.: Dual-comb hyperspectral digital holography. Nature Photonics 15, 890–894 (2021), doi.org/10.1038/s41566-021-00892-x
Ansprechpartnerin
Dr. Nathalie Picqué, Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching, Telefon (089) 32905-712, nathalie.picque(at)mpq.mpg.de
