Neue Methode verbessert Verständnis der Lichtwellenausbreitung in anisotropen Materialien

Das Verständnis, wie sich Licht durch verschiedene Materialien bewegt, ist für viele Bereiche von entscheidender Bedeutung, von der medizinischen Bildgebung bis zur Fertigung. Aufgrund ihrer Struktur weisen Materialien jedoch häufig Richtungsunterschiede in der Lichtstreuung auf, die als Anisotropie bezeichnet werden. Diese Komplexität hat es bisher schwierig gemacht, ihre optischen Eigenschaften genau zu messen und zu modellieren. Kürzlich haben Forscher eine neue Technik entwickelt, die die Art und Weise, wie wir diese Materialien untersuchen, verändern könnte.

In einer aktuellen Studie veröffentlicht In Erweiterter Photonik-Nexushaben Wissenschaftler des Europäischen Labors für nichtlineare Spektroskopie (LENS) einen innovativen Ansatz zur Untersuchung anisotroper Materialien vorgestellt. Sie kombinierten zeitbereichsbezogene Transmissionsmessungen mit fortschrittlichen Monte-Carlo-Simulationen, um die gesamte Komplexität des Verhaltens von Licht in diesen Materialien zu erfassen.

Die Forscher testeten ihre Methode an zwei gängigen anisotropen Materialien: Teflonband und Papier. Teflonband, das in der Industrie weit verbreitet ist, und Papier mit seiner strukturellen Anisotropie durch ausgerichtete Zellulosefasern wurden aufgrund ihrer praktischen Relevanz ausgewählt.

Mithilfe einer transienten Bildgebungstechnik konnten die Forscher messen, wie sich das Lichtmuster im Laufe der Zeit ändert, wenn Materialien ultrakurzen Lichtimpulsen ausgesetzt werden. Diese Daten, gepaart mit einer neuen, anisotropiebewussten Simulationsmethode, lieferten detaillierte Einblicke in die unterschiedliche Streuung des Lichts in verschiedene Richtungen innerhalb dieser Materialien.

Die Studie deckte bemerkenswerte Unterschiede in der Lichtstreuung in verschiedene Richtungen in beiden Materialien auf, wodurch die Forscher zum ersten Mal die vollständigen Streutensorkoeffizienten ermitteln konnten. Dieser Detaillierungsgrad war zuvor noch nie erreicht worden und die Ergebnisse stimmten mit Vorhersagen aus fortgeschrittenen Simulationen überein. Die Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung der Berücksichtigung der Anisotropie bei Materialstudien, da ihre Nichtbeachtung zu erheblichen Fehlern führen kann.

Dr. Lorenzo Pattelli vom italienischen Nationalen Institut für metrologische Forschung (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica; INRiM), der leitende Forscher der Studie, betonte die langjährige Herausforderung des Umgangs mit der Transportanisotropie.

„Fast alle streuenden Materialien weisen irgendeine Form von Anisotropie auf. Dennoch haben viele Studien diesen Aspekt ignoriert und der Einfachheit halber angenommen, dass die Materialien isotrop sind“, stellte er fest und fügte hinzu: „Aufgrund dieser Vereinfachung wissen wir jetzt, dass zuvor gemeldete Streukoeffizienten in strukturell anisotropen Medien aufgrund der systematischen Fehler, die durch die isotrope Modellierung entstehen, quantitativ ungenau sein können.“

Die neue Methode bietet eine genauere Möglichkeit, Materialien mit komplexen Strukturen, wie etwa biologisches Gewebe, zu charakterisieren. Dieser Fortschritt könnte zu Verbesserungen bei Diagnosetechniken führen, die auf Lichtstreuung basieren, und Bereiche wie die medizinische Bildgebung und die Materialwissenschaft davon profitieren.

Mit diesem Ansatz können Forscher die optischen Eigenschaften anisotroper Materialien besser verstehen und analysieren und so den Weg für präzisere Anwendungen in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen ebnen.