Gequetschtes Licht bei sichtbarer Wellenlänge für augensichere Oberflächenmikroskopie mit hoher räumlicher Auflösung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Rembe; Professor Dr. Roman Schnabel
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431078650

Die Laser-Doppler-Vibrometrie (LDVy) ist ein bewährtes Verfahren zur Messung von Schwingungen. Der Messstrahl eines Laser-Doppler-Vibrometers (LDV) kann in ein konfokales Rastermikroskop eingekoppelt werden, was bei sichtbaren Wellenlängen mikroskopische Schwingungsmessungen ermöglicht. Eine spezielle Anwendung eines Rastermikroskop-LDV (SMV) ist die Messung von Oberflächentopographien. Ein LDV misst optische Weglängenänderungen mit einer hohen Bandbreite. Solche Änderungen entstehen auch durch Höhenunterschiede der Oberfläche, wenn der Laserfokus über eine optisch glatte Oberfläche bewegt wird. Je kürzer die Laserwellenlänge ist, desto besser ist die Beugung begrenzte räumliche laterale Auflösung. Der augensichere Betrieb eines LDV mit sichtbaren Laser erfordert eine optische Leistung unter 1 mW oder Laserschutzmaßnahmen. Die erste Option schränkt die Messempfindlichkeit ein. Die zweite Option erhöht die Betriebskosten und höhere Lichtleistungen sind bei empfindlichen Oberflächen problematisch. Gequetschtes Licht bietet die Möglichkeit, mit verbesserter interferometrischer Auflösung bei augensicherem Betrieb zu messen. Allerdings war die effiziente Erzeugung von gequetschtem Licht bisher nur bei Wellenlängen im nahen Infrarot möglich, nicht aber im optischen Bereich. Der Grund dafür ist die Empfindlichkeit nichtlinearer Kristalle gegenüber dem bisher notwendigen UV-Pumplicht. Dieses Projekt zielt darauf ab, (i) einen Grundsatzbeweis für einen revolutionären neuen Ansatz zur Erzeugung von gequetschtem Licht bei sichtbaren Wellenlängen - hier bei 517 nm - zu erbringen und (ii) seine Anwendung auf die augensichere hochauflösende, durch gequetschtes Licht verstärkte Laserinterferometrie zur Topographiemessung mit mikroskopischer lateraler Auflösung zu zeigen. Die Entfaltung der Topographiedaten mit der Instrumentenübertragungsfunktion (ITF) ermöglicht eine laterale Auflösungserhöhung, solange der Rauschpegel die Topographieauslenkungen nicht übersteigt. Folglich sind eine kurze Wellenlänge, ein kleiner Laserfokus und ein geringes Wegrauschen des Interferometers entscheidend. Wir werden zeigen, dass Laserlicht mit einer stark gequetschten Quantenunsicherheit (80 MHz Squeezing-Bandbreite ist für ein typisches LDV mit 40 MHz Trägerfrequenz erforderlich) die Empfindlichkeit interferometrischer Oberflächentopographiemessungen erhöht. Die Lichtleistung wird augensicher gehalten und die Lichtintensität bleibt niedrig genug, um eine Beeinflussung der Messung zu verhindern. Um dieses Ziel zu erreichen, kombiniert unser Projekt Konzepte der Quantenoptik und der Ingenieurwissenschaften. Unser Ergebnis kann sich auf technische Anwendungen von Interferometern auswirken, wenn der optische Verlust geringgehalten werden kann. Gequetschtes sichtbares Licht zur Verbesserung der Interferometrie mit hoher räumlicher Auflösung könnte sich als Beispiel für eine Quantentechnologie erweisen, die das Herzstück der geplanten zweiten Quantenrevolution darstellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen