Überprüfung der optischen Messtechnik erkundet neue Möglichkeiten mit verdrehtem Licht

Die Metrologie ist der Grundstein der modernen Industrie und liefert die wichtigsten Standards, an denen wir die Welt messen. Insbesondere die optische Messtechnik hat sich in der Vergangenheit den Begriff der Interferenz zunutze gemacht, der seit den Tagen von Thomas Young vor mehr als 200 Jahren im Wesentlichen unverändert geblieben ist. Kann man jedoch mehr Informationen gewinnen, indem man das Konzept der Ränder auf andere Freiheitsgrade extrapoliert?

In einem aktuellen Artikel veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungenhat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Prof. Lixin Guo von der Xidian-Universität ihre Perspektiven zur Vergangenheit und Zukunft der optischen Messtechnik unter Einbeziehung des Bahndrehimpulses (OAM) geteilt.

Der Artikel untersucht grundlegende Prinzipien, Anwendungen und bahnbrechende Fortschritte auf diesem Gebiet. Die Forscher demonstrieren, wie verdrehtes lichttragendes OAM für neue Paradigmen in der Messung verwendet werden kann, beispielsweise für die 3D-Partikelpositionsverfolgung, indem sie eine moderne Interpretation des Doppler-Effekts nutzen, indem sie Frequenzverschiebungen beobachten, die sowohl von OAM als auch von der Polarisation abhängen.

„Der ursprüngliche Doppler-Effekt konnte nur Bewegungen auf den Beobachter zu oder von ihm weg verfolgen, aber die Einbeziehung des Bahndrehimpulses sowohl in Skalar- als auch in Vektorlicht ermöglicht die Bewegungsverfolgung in alle Richtungen, einschließlich Rotationsbewegungen“, sagt Prof. Andrew Forbes, ein korrespondierender Autor aus Südafrika. „Dieser Fortschritt hat die Messtechnik dynamischer Systeme revolutioniert.“

Es ist nicht nur der Paradigmenwechsel bei bestehenden Werkzeugen, sondern auch die Erfindung völlig neuer Instrumente, die das Fachgebiet vorantreibt. Ein solches Beispiel ist das Konzept eines OAM-Spektrums, das als „Signatur“ eines Systems dient: Wenn OAM-Licht ein komplexes Medium durchdringt, wird sein OAM verändert, was zu Änderungen der Form des OAM-Spektrums führt.

„Dieser OAM-Fingerabdruck des Mediums enthält eine Fülle an Informationen, die genutzt werden können“, sagt Dr. Mingjian Cheng, der Hauptautor.

Wie der Bericht hervorhebt, öffnet die Interpretation des OAM-Spektrums durch maschinelles Lernen und KI die Tür zur Echtzeitanalyse und -erkennung komplexer Medien, wobei OAM-Licht als Sonde dient, ein Thema, das sehr schnell an Bedeutung gewinnt.

Der Aufsatz befasst sich nicht nur mit der Metrologie mit klassischem Licht, sondern auch mit der Verwendung von OAM in quantenverschränkten Überlagerungen und Einzelphotonenzuständen. Der Übergang in die Quantendomäne birgt das Potenzial, das Rauschen zu reduzieren und die Genauigkeit und Präzision mit weniger Messungen zu verbessern. Dieser Aspekt des Fachgebiets befindet sich jedoch noch in einem frühen Entwicklungsstadium.

„Die Quantenmetrologie mittels OAM ist immer noch ein aufstrebendes Feld mit zahlreichen ungenutzten Möglichkeiten“, sagt Prof. Andrew Forbes.

Der umfassende Überblick deckt ein breites Anwendungsspektrum ab, von der Nanosensorik im mikroskopischen Maßstab bis zur Messung von Schwarzen Löchern im kosmischen Maßstab.