Strukturiertes Licht Daten schneller übertragen und neue Arten von Laser

Forscher haben eine Methode entwickelt, das Licht so zu strukturieren, dass eine Projektion aus dem vierdimensionalen Raum entsteht. Möglich sind neue Arten von Laserstrahlen und es sollen sich Daten übertragen lassen.

Firmen zum Thema

Daten übertragen: Optischer Aufbau mit räumlichem Lichtmodulator, durch den die zwei einfallenden Strahlen (nicht eingezeichnet) modifiziert werden, sodass deren Überlagerung die Hopfion-Struktur erzeugt. Die Wellenplatte stellt, zusammen mit dem Strahlteiler, die Polarisation für einen Strahl linkszirkular und für den anderen rechtszirkular ein.
Daten übertragen: Optischer Aufbau mit räumlichem Lichtmodulator, durch den die zwei einfallenden Strahlen (nicht eingezeichnet) modifiziert werden, sodass deren Überlagerung die Hopfion-Struktur erzeugt. Die Wellenplatte stellt, zusammen mit dem Strahlteiler, die Polarisation für einen Strahl linkszirkular und für den anderen rechtszirkular ein.
(Bild: WWU - Ramon Droop)

Daten mit Licht übertragen: Mit Li-Fi (Light Fidelity) wandern Daten von der LED als Lichtquelle zu einer Fotodiode am Empfänger. Dort wird das Licht in elektrische Impulse umgewandelt. Das kann sowohl mit sichtbarem Licht erfolgen, aber auch im Ultraviolett- und Infrarotspektrum. Aufgrund der notwendigen Sichtverbindung ist eine hohe Datensicherheit gegeben. Interferenzen treten im Gegensatz zu Wi-Fi nicht auf.

Mit Licht lassen sich auch nanoskopische Strukturen erzeugen. Um solche Anwendungen zu ermöglichen, muss das Licht räumlich strukturiert werden. Dazu werden seine Eigenschaften – Intensität (Helligkeit), Phase (Position im Schwingungszyklus) und Polarisation (Richtung der Lichtschwingung) – angepasst.

Mathematische Modelle der Lichtstruktur

Typischerweise entstehen so im dreidimensionalen Raum strukturierte Lichtfelder, zum Beispiel durch die Anwendung eines Hologramms. Jetzt hat ein internationales Forscherteam um Prof. Dr. Cornelia Denz von der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster und Prof. Dr. Mark Dennis von der Universität Birmingham (Großbritannien) eine Methode entwickelt, mit der das Licht derart strukturiert wird, dass eine Projektion aus dem vierdimensionalen Raum entsteht.

Das Team hat die komplexe Lichtstruktur zunächst rein mathematisch vorhergesagt und sie anschließend experimentell realisiert und vermessen. Die Struktur nennt sich Hopfion, benannt nach dem deutsch-schweizerischen Mathematiker Heinz Hopf. Sie sieht – vereinfacht gesagt – aus wie zahllose ineinander verschlungene Ringe, und die Projektion in den dreidimensionalen Raum ist vergleichbar mit der Projektion der dreidimensionalen Erde auf eine zweidimensionale Landkarte.

Im Gegensatz dazu wird beim Hopfion jedoch ein Teil des vierdimensionalen in den dreidimensionalen Raum übertragen. Das bedeutet: Aus den Messungen im dreidimensionalen Raum lassen sich Rückschlüsse auf die Eigenschaften der vierten Dimension ziehen.

Mit strukturiertem Licht Daten schneller übertragen

Simulation der Linien mit gleichen Polarisationszuständen des Lichts als 3-D-Modell.
Simulation der Linien mit gleichen Polarisationszuständen des Lichts als 3-D-Modell.
(Bild: WWU - Ramon Droop)

Die Wissenschaftler erhoffen sich mit strukturiertem Licht eine Möglichkeit, Daten schneller zu übertragen. Dazu entwickeln die Wissenschaftler ein Verfahren, welches das Licht aus zwei Laserstrahlen in eine etwa 0,2 mm x 0,2 mm x 50 mm große, zum Hopfion verwobene Struktur lenkt. Dies gelang ihnen durch den Einsatz von sogenannten räumlichen Lichtmodulatoren auf Flüssigkristallbasis, mit denen sich die optischen Eigenschaften des Lichts elektrisch kontrollieren lassen.

Das Team entwickelte auch eine neue Aufnahmemethode, mit der die Eigenschaften des Lichts, welche den vier Dimensionen zugeordnet sind, räumlich aufgelöst werden können. Dazu verwendet die Gruppe ein der Tomographie ähnliches Verfahren der Vermessung zweidimensionaler Schnitte, die dann zum dreidimensionalen Raum zusammengesetzt werden. Anschließend kann genau berechnet werden, welcher Teil des vierdimensionalen Raums abgebildet ist.

Neue Arten von Laserstrahlen zur Datenkommunikation

„Auf der Basis dieser Forschungsergebnisse könnten zukünftig neue Arten von Laserstrahlen entwickelt werden, mit denen Datenkommunikation sicherer wird. Die Anordnung von Nanostrukturen könnte vielseitiger und einfacher und die Materialbearbeitung präziser gestaltet werden“, gibt Cornelia Denz einen Ausblick.

(ID:47836773)