Ein Überblick über Geräte und Anwendungen von räumlichen Flüssigkristall-Lichtmodulatoren

Technologien zur Steuerung und Nutzung von Licht gibt es schon seit Jahrhunderten, oft als statische Lösungen, die individuell gestaltet werden müssen. Erst in den letzten Jahrzehnten hat das digitale Zeitalter der Mikroelektronik und Computertechnik dazu geführt, dass schnell wiederbeschreibbare Technologien für Displays ihren Weg in den Mainstream der Optik gefunden haben.

In einem neue Rezension veröffentlicht in Optoelektronische Wissenschaftstellen die Autoren die jüngsten Fortschritte beim Ersetzen des traditionellen statischen optischen Toolkits durch ein modernes digitales Toolkit für „Licht auf Abruf“ vor. Das Ergebnis war die Einführung von digital gesteuertem Licht in fast allen großen optischen Labors weltweit und eröffnete neue Wege für die Erzeugung, Steuerung, Erkennung und Nutzung exotischer Formen strukturierten Lichts. Das fortschrittliche Toolkit verspricht neuartige Anwendungen von der klassischen bis zur Quantentechnologie und läutet ein neues Kapitel im Bereich bedarfsgesteuertes strukturiertes Licht ein.

Die Autoren dieses Artikels untersuchten die jüngsten Fortschritte bei der Verwendung eines modernen digitalen Toolkits für On-Demand-Formen von skulpturalem Licht und boten neue Erkenntnisse und Perspektiven zu diesem aufkommenden Thema. Die Kerntechnologie, die dieses Gebiet vorangebracht hat, ist der Flüssigkristall-Raumlichtmodulator (SLM), der eine hochauflösende Anpassung des Lichts in Bezug auf Amplitude, Phase, Polarisation oder noch exotischere Freiheitsgrade wie Weg, Bahndrehimpuls und sogar räumlich-zeitliche Freiheitsgrade ermöglicht Kontrolle. Diese einfachen, aber äußerst effektiven Geräte bestehen aus Millionen von Pixeln, die phasenmoduliert werden können, um das Licht prinzipiell verlustfrei räumlich zu steuern.

In der Rezension zeigen die Autoren, wie solche SLMs für eine Vielzahl von Aufgaben genutzt werden können, von der Erzeugung aller Formen von strukturiertem Licht bis hin zu schnellen und effizienten Detektoren. Sie haben Fortschritte in der optischen Kommunikation, Mikroskopie und Bildgebung vorangetrieben und sind sogar aus modernen Quantenoptiklaboren nicht mehr wegzudenken.

Es hat das hochtechnische und schwierige Gebiet der diffraktiven Optik und der digitalen Holographie weit in den Mainstream gebracht, sodass jeder mit relativ kostengünstigen Lösungen darauf zugreifen kann. Beispielsweise könnten diffraktive optische Elemente als computergenerierte Hologramme endlich als das ausgenutzt werden, was sie sind: einfach nur „Bilder“ zur Anzeige. SLMs haben diesen großen Sprung ermöglicht und die Kosten und Komplexität früherer Lösungen überwunden.

Am wichtigsten ist, dass die „Bilder“ wiederbeschreibbar sind, um On-Demand-Echtzeitlösungen für reale Anwendungen zu ermöglichen. Mit holographischen optischen Pinzetten können beispielsweise Licht-Materie-Wechselwirkungen mit nur einer Bildänderung (computergeneriertes Hologramm) gesteuert und in Echtzeit aktualisiert werden, um Objekte in 3D einzufangen, zu pinzieren und zu manipulieren. Dies hat direkte Anwendung in den Bereichen Physik, Chemie, Medizin und Biologie sowie in verschiedenen Wirkungsbereichen gefunden.

Die Autoren erläutern die Mechanismen der Funktionsweise von SLMs, bieten neue Einblicke und Perspektiven auf der Grundlage ihrer langjährigen Erfahrung in diesem Thema und zeigen, wie sich dieses neue Feld zusammen mit dem aufkommenden Thema strukturiertes Licht rasant entwickelt. Sie geben Hinweise darauf, was die Zukunft bringen könnte, wenn gegenwärtige Herausforderungen in spannende Anwendungen umgewandelt werden.