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Nov 16, 2023

Wissenschaftler haben verdammte Laserstrahlen gebogen, um dieses detaillierte Bild einer Katze zu erstellen

Jennifer Ouellette – 15. August 2022 20:41 Uhr UTC Jeder Katzenbesitzer weiß es

Jennifer Ouellette – 15. August 2022, 20:41 Uhr UTC

Jeder Katzenbesitzer weiß, wie viel Spaß es seinen Katzengefährten macht, mit einem einfachen Laserpointer einen winzigen Lichtpunkt zu jagen. Jetzt haben brasilianische Physiker herausgefunden, wie sie Laserlicht einfangen und in komplizierte Formen biegen können, wodurch das oben abgebildete beeindruckende fotorealistische Bild einer Katze entsteht. Neben anderen potenziellen Anwendungen könnte sich ihre Methode – beschrieben in einem kürzlich im Physik-ArXiv veröffentlichten Artikel – als nützlich für den Bau besserer optischer Fallen erweisen, um Wolken aus ultrakalten Atomen für eine Vielzahl von Quantenexperimenten zu erzeugen.

Laut den Co-Autoren Pedro Silva und Sergio Muniz von der Universität Sao Paulo ist die Fähigkeit, Laserstrahlen mit hoher Genauigkeit zu erzeugen und ihre Form präzise zu steuern, für viele Bereiche der Forschung und Industrie von entscheidender Bedeutung. Sie gruppieren die meisten Wellenfront-Engineering-Ansätze in zwei grundlegende Kategorien.

Der erste umfasst Ansätze wie digitale Mikrospiegel (DMDs) und akustisch-optische Modulatoren (AOMs), die einfach zu implementieren sind und sich durch eine schnelle Reaktion für eine nahezu Echtzeit-Rückkopplungssteuerung auszeichnen. Sie haben jedoch eine begrenzte Fähigkeit, die Phase des Lichtfelds zu steuern, und können bestimmte Arten von strukturiertem Licht nicht erzeugen. Sie sind außerdem anfällig für Flecken, Beugung oder andere Verzerrungen.

Zur zweiten Gruppe gehören die Holographie und verschiedene phasengesteuerte Verfahren, mit denen sich phasenstrukturierte Licht- und Vektorstrahlen erzeugen lassen. Der Nachteil sind langsamere Steuerungsgeschwindigkeiten und ein Mangel an Echtzeit-Feedback. Silva und Muniz wollten einen phasengesteuerten Ansatz entwickeln, der einige der wünschenswerten Funktionen von DMDs und AOMs implementiert – insbesondere Pixel-zu-Pixel-Mapping, einfache Codierung von Lichtmustern, schnelleres Feedback und präzisere Steuerung.

Im Wesentlichen haben sie eine frühere Methode aus dem Jahr 2007 verbessert, um schärfere und glattere Ergebnisse zu erzielen. Sie polarisierten einen Diodenlaser, um ihn an die Ausrichtung eines Flüssigkristalls anzupassen, der als räumlicher Lichtmodulator diente. Sie könnten die Kristalle mit elektromagnetischen Feldern so organisieren, dass eine Reihe von Prismen entsteht. Durch die Programmierung des Modulators konnten Silva und Muniz diese Prismen verwenden, um mehrere beliebige geometrische Formen zu erzeugen – und das vollständig detaillierte Bild einer Katze.

„Wir zeigen experimentelle Ergebnisse, die zeigen, dass mit der beschriebenen Methode nicht nur einfache und flache geometrische Formen erzeugt werden können, sondern auch komplexe und funktionsreiche Bilder mit detaillierten Intensitätsverteilungen“, schreiben die Autoren. Und ihre Methode könnte angewendet werden, um Strahlen von gepulsten Lasern mit höherer Leistung oder sogar von ultraschnellen Lasern zu formen.

Zu den nützlichen Anwendungen gehören die optische Strukturierung und Lithographie sowie das optische Einfangen ultrakalter Atome, um Systeme wie Bose-Einstein-Kondensate (BECs) zu erzeugen, die sich ideal für die Simulation von Quanteneffekten eignen. Ein BEC kann beispielsweise Atome auf die gleiche Weise „verstärken“, wie Laser Photonen verstärken, und ermöglicht es Wissenschaftlern, die seltsame, kleine Welt der Quantenphysik zu untersuchen, als würden sie sie durch eine Lupe betrachten. Physikern ist es sogar gelungen, „Quantenknoten“ in BECs zu knüpfen und Filme darüber zu machen, wie die Knoten ziemlich bald nach ihrer Bildung zerfallen oder sich „lösen“, bevor sie sich in einen Wirbel verwandeln.

Aber es handelt sich hierbei um fragile Quantensysteme, die mit Vorsicht manipuliert werden müssen. Eine optische Falle muss daher sehr glatt und präzise sein, da jegliche Unvollkommenheiten die Atome aus ihrem Quantenzustand werfen würden.

„Ehrlich gesagt habe ich keine guten Ideen, was man mit ultrakalten Atomen machen könnte oder was auch immer man mit einem Bild einer Katze machen könnte, aber es ist eine Art Indikator, der zeigt, dass man sehr feine und präzise Funktionen machen kann“, sagt Muniz sagte New Scientist. „Wir können diese hübschen Bilder von Katzen machen, aber wir können dieses System auch verwenden, um Quantensimulationen von Elektronen und Supraleitung [unter Verwendung gefangener ultrakalter Atome] durchzuführen.“

DOI: arXiv, 2022. 10.48550/arXiv.2204.09724 (Über DOIs).

Listingbild von PF Silva & SR Muniz, 2022