Text: Bernd Müller
Universität Stuttgart, Gebäude 9 im Ingenieurwissenschaftlichen Zentrum: Besucher sind erst einmal irritiert, wenn sie den Flur des Instituts für Technische Optik (ITO) betreten. Nichts zeigt, dass hier Maschinenbauer arbeiten – zu dieser Fakultät gehört das Institut. An den Wänden reihen sich vielmehr Poster an Poster, die von den Grundlagen der Optik erzählen, zum Beispiel von Simulationen der Maxwell-Gleichungen, die zum Standard- Repertoire jedes Physikers gehören.
„Wir leben hier eine Symbiose aus Physik und angewandter Ingenieurwissenschaft”, sagt Prof. Wolfgang Osten, Leiter des Instituts. Der 53-Jährige, der in Jena studiert und bis zur Wende an der Akademie der Wissenschaften geforscht hat, ist selbst Physiker, wie etwa die Hälfte seiner knapp 40 Mitarbeiter. Dennoch legt Osten auf eine Feststellung Wert: „Wir sind keine Parallelwelt zur Physik.” Gewisse Überschneidungen seien gewollt, die eigene Aufgabe liege aber in der Umsetzung von physikalischen Grundlagen in vornehmlich ingenieurtechnische Anwendungen für Forschung und Industrie.
Das 1960 gegründete ITO hatte dank der ehemaligen Institutsleiter, den Physik-Professoren Reinhardt Schulze und Hans Tiziani, schon ein ausgezeichnetes Image, als Osten 2002 an die Universität Stuttgart kam – „weil hier die Musik spielte”. Die technische Ausstattung genügte allerdings nicht mehr den Anforderungen. „Spitzen- forschung ist leider spitzenteuer”, sagt Osten, dem die Universität einen gut gefüllten Etat an Berufungsmitteln zur Verfügung stellte, um das Institut von Grund auf zu modernisieren.
Im Sommer 2006 wurde zum Beispiel ein Reinraum fertig, in dem hochpräzise holographische Optiken mit Lasern hergestellt werden können und speziell ausgestattete Messgeräte die Nanowelt erkunden. Damit ist der Weg frei, die Grenzen der Physik weiter auszureizen. Dass dafür sowohl der Bedarf als auch gute Voraussetzungen bestehen, bestätigt eine Studie der Unternehmensberatung Roland Berger im Auftrag der Landesstiftung aus dem Jahr 2000. Dort heißt es: „Baden-Württemberg verfügt bei den optischen Technologien über ein starkes Cluster.” Und das gelte es zu stärken.
Das ITO ist gewissermaßen das Aushängeschild dieser Strategie und überraschte in den letzten Jahren mit zahlreichen verblüffenden Ideen. Große Fortschritte hat es vor allem bei der Prüfung von Oberflächen gemacht – auch wenn das beste Messgerät hier immer noch das menschliche Auge ist: Es erkennt zum Beispiel allein am Muster der Lichtspiegelungen, wenn der Kotflügel eines Autos um wenige Mikrometer verbeult ist und nicht die vorgegebene Form hält.
Weil solche Fertigungstoleranzen nicht zu vermeiden sind, setzen die Autohersteller bislang am Ende des Fließbandes Spezialisten mit Augenmaß ein, die solche Beulen durch sanftes Hämmern ausgleichen. Doch das Auge hat Grenzen. Auf rauen Oberflächen wird das Licht gestreut, und das Auge kann Höhen und Tiefen nicht mehr unterscheiden. Auch technische Messgeräte gelangen schnell an ihre Grenzen, denn die Physik verbietet es, Details aufzulösen, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts. Und die ist im sichtbaren Spektralbereich mit 400 bis 800 Nanometern schon relativ grob, wenn man das beispielsweise mit Strukturen von Mikrochips vergleicht, die heute deutlich unter 100 Nanometer fein sind.
Osten hat sich zum Ziel gesetzt, das Auge nachzuempfinden – und sogar noch zu verbessern. Unser Sinnesorgan empfindet nur Lichtintensitäten, also Hell-Dunkel, und Farben. Licht enthält aber weitere Informationen: zum Beispiel die Phase, die den Schwingungszustand beschreibt und mit der sich die Beziehungen von Lichtwellen untereinander bestimmen lassen, sowie die Schwingungsrichtung im Raum, die so genannte Polarisation.
„Wir versuchen alle diese Parameter zu nutzen und an ihnen zu drehen, um die Auflösung zu verbessern”, sagt der ITO-Leiter. Dazu beschäftigt sich eine von der Landesstiftung geförderte Arbeitsgruppe mit Computersimulationen der Lichtausbreitung. Es zeigt sich, dass sich das Licht insbesondere an winzigen Strukturen der Nanowelt anders verhält, als man es nach der klassischen Wellenoptik erwarten würde – ein Phänomen, mit dem die Hersteller von Mikrochips täglich zu kämpfen haben.
Eine bewährte Methode, um Unsichtbares sichtbar zu machen, ist die Holographie. Mit der Erfindung des Ungarn Dennis Gábor vor fast 60 Jahren lassen sich Lichtwellen, die von einem beliebigen Objekt reflektiert oder gestreut werden, vollständig und ohne Zuhilfenahme von Linsen auf eine Fotoplatte bannen. Beleuchtet man sie mit demselben Laserlicht wie bei der Aufnahme, erscheint das Objekt wieder dreidimensional und zum Greifen nah.
Dieses Verfahren kann man nutzen, um Oberflächen auf nanometerfeine Unebenheiten zu überprüfen. Dabei interessieren sich die Wissenschaftler nicht für die möglichst naturgetreue Reproduktion eines Objekts, sondern für die Abweichungen der gestreuten Lichtwellen zwischen unterschiedlichen Zuständen des Objekts, aus denen sich charakteristische Interferenzmuster ergeben. Diese Muster ändern sich, wenn ein Bauteil beschädigt ist oder sich verformt. Wenn man das Bauteil kurz erwärmt, kann man sogar Defekte unter der Oberfläche entdecken. An Schwachstellen ist die Verformung infolge der Erwärmung anders, was sich sofort im Muster bemerkbar macht.
Hologramme finden heute Anwendung bei der zerstörungsfreien Materialprüfung. So lassen sich Auto- und Flugzeugreifen holographisch wesentlich einfacher testen als mit herkömmlichen Methoden. Selbst große Bauwerke wie Brücken geben ihre Schwachstellen preis, wenn Holographie zum Einsatz kommt.
Ein besonders spektakuläres Beispiel zeigt Osten in einem Labor, das zur Isolation gegen Gebäudeschwingungen im Keller untergebracht ist. Dort sind mehrere wertvolle Ikonen eines griechischen Museums auf einer optischen Bank eingespannt. Unter der Glühbirne sehen die Heiligenbilder unauffällig aus. Wird jedoch Laserlicht eingeschaltet, erscheinen kreisförmige Muster auf dem Videobild des bemalten Holzbretts. Plötzlich erkennt man Risse auf der Rückseite oder Punkte, wo die Ikone von hinten mit Nägeln an einem Altar befestigt war – wertvolle Informationen für Restauratoren. Osten kann sich vorstellen, mittels Holographie „ Fingerabdrücke” von Kunstwerken anzufertigen, um Restaurationsarbeiten und Beschädigungen zu verfolgen oder um Fälscher zu entlarven, etwa wenn gestohlene Bilder wieder auf dem Kunstmarkt auftauchen.
Die enormen Fortschritte im ITO-Labor bei den optischen Messtechnologien wären ohne die rasanten Fortschritte bei Digitalkameras, Beamern und Spielekonsolen nicht möglich gewesen. „Wir sind Trittbrettfahrer der Multimedia-Industrie”, gibt Osten zu, „und vergewaltigen sogar Grafikchips von Spielkonsolen.” Mussten Hologramme früher aufwendig belichtet und in der Dunkelkammer entwickelt werden, geht das heute digital in Sekunden. So kann man Hologramme mit dem Chip einer Digitalkamera aufnehmen und über einen Beamer wieder ausgeben. Das erlaubt überdies die beliebige Manipulation der Hologramme am Rechner.
Susanne Zwick, Doktorandin in Ostens Team, nutzt das zur Fernsteuerung von winzigen Partikeln wie etwa Hefezellen unter dem Mikroskop. Mit dem Impuls von Lichtstrahlen lassen sich diese Zellen anschubsen und mit dem Joystick in beliebige Richtungen dirigieren. Koppelt Zwick ein Hologramm mit kompliziertem Hell-Dunkel-Muster mittels Beamer in den Strahlengang des Mikroskops ein, ordnen sich die Zellen nach dem Muster des Hologramms an. Ein Knopfdruck genügt – das Hologramm ändert sich, und die stäbchenförmigen Zellen fangen an zu tanzen: Sie rotieren oder kippen aus der Richtung des Objektivs zur Seite.
„Das Mikroskop ist gleichzeitig Auge und Hand”, erläutert Zwick. Solche holographischen Pinzetten sind ein Projekt, das die Landesstiftung Baden-Württemberg in der zweiten Tranche seit 2002 mit 184 000 Euro gefördert hat. Sie sollen einmal in Biologie oder Medizin zum Einsatz kommen, etwa bei der künstlichen Befruchtung: Samen- und Eizelle könnten über ein Hologramm so dirigiert werden, dass sie einander nicht verfehlen.
Dass Hologramme heute nicht mehr auf Fotoplatten belichtet werden müssen, sondern als Datensatz im Rechner vorliegen, hat einen weiteren Vorteil: Die Informationen lassen sich übers Internet überall hin verschicken. So könnte von Stuttgart aus eine optische Pinzette in den USA gesteuert werden. Auf diese Weise ließen sich auch Produktionsbetriebe in aller Welt verknüpfen, zur Überwachung von Fertigungstoleranzen. Dann könnte das Hologramm eines Master-Bauteils aus Deutschland an eine Fabrik in Korea geschickt und mit den Bauteilen aus der Serienproduktion verglichen werden. Das Konzept funktioniert in Ostens Labor bereits, und zwar mit der Springer-Figur aus einem Schachspiel.
Mit einem Trick haben die Forscher dabei eine schwierige Hürde überwunden. Normalerweise vergleicht man zwei Objekte, indem man ihre Hologramme vergleicht, die mit derselben Referenzwelle aufgenommen wurden. Doch selbst wenn sich zwei Objekte sehr ähneln, können völlig unterschiedliche Hologramme entstehen. Das Team nutzt einen verblüffenden Trick: Statt den Prüfling mit dem Referenzlicht eines Lasers zu beleuchten und daraus das zweite Hologramm zu erzeugen, wird er mit dem Hologramm des Masters beleuchtet. So entsteht schon bei der Messung ein Muster, das Formabweichungen direkt sichtbar macht. Auch dieses Verfahren profitiert davon, dass die Hologramme einfach über Beamer rekonstruiert werden.
Für den Einsatz in der Industrie reicht die Genauigkeit allerdings noch nicht. Die so genannte vergleichende Holographie funktioniert bisher erst mit kleinen Bauteilen, weil die Auflösung der elektronischen Medien noch zu gering ist. Ein Hologrammfilm bringt es immerhin auf deutlich mehr als 1000 Linien pro Millimeter, der Chip einer Megapixel-Digitalkamera oder der Modulator des Beamers dagegen nur auf etwa 100. Aber dies sind lediglich technische Hindernisse, die durch den rasanten Fortschritt der Mikro- und Nanotechnologie in absehbarer Zeit überwunden werden. Daher fördert die Landesstiftung auch dieses Forschungsgebiet.
Schon näher am Einsatz in der Industrie ist ein weiteres von der Landesstiftung gefördertes Projekt, das Messwerte aus der Verbrennungskammer eines Motors gewinnt. Um in einen Motor hineinschauen zu können, haben die Automobilhersteller bisher im Sinne des Wortes gläserne Motoren bauen müssen, doch der Aufwand ist hoch und schränkt die Entwickler ein. René Reichle und Christof Pruß, Doktoranden bei Wolfgang Osten, haben sich gemeinsam mit Heidelberger Forschern pfiffige Alternativen ausgedacht.
In eine funktionsfähige Zündkerze haben sie Linsen als Fenster sowie Lichtleiter eingebaut. Durch einen der optischen Kanäle wird gepulstes UV-Laserlicht in den Verbrennungsraum geschickt, um organische Tracersubstanzen anzuregen, die dem Kraftstoff zuvor beigefügt worden sind. Das Fluoreszenzlicht, das von zwei Empfangskanälen gesammelt wird, liefert Informationen über den Gemischbildungsprozess.
Außerdem haben die beiden Doktoranden ein System zur 2D-Messung entwickelt. Das Laserlicht wird in einer Strahlformungsoptik so aufgefächert, dass mit einer kleinen Endoskop-Optik beliebige Schnitte durch den Brennraum vermessen werden können. In beide Optiken haben die Forscher zur Steigerung der Leistungsfähigkeit Hologramme integriert, die ebenfalls am ITO in einem computergesteuerten Laserbelichter erzeugt wurden.
Das Stuttgarter Team hat eine Menge Know-how gesammelt, wie man Licht und sogar Hologramme durch dünne Glasfasern gleichzeitig in beide Richtungen schicken kann. Ein Beispiel ist ein Holo-Endoskop, das dreidimensionale Aufnahmen in schwer zugänglichen Partien eines Objekts ermöglicht, wie zum Beispiel in Kühlkanälen in den Schaufeln von Gasturbinen.
Ein ähnliches Endoskop, dünn wie eine Kugelschreibermine, entwickelt das ITO gerade zusammen mit der Uniklinik Tübingen. Es soll Chirurgen erlauben, durch eine winzige Öffnung einen dreidimensionalen Blick in den Körper des Patienten zu werfen. Gemeinsam will man dem Endoskop sogar einen Tastsinn verleihen. Denn die mechanische Verformung eines Organs gibt dem Chirurgen Auskunft, ob das Gewebe gesund ist oder nicht. Weil diese Information durch die minimalinvasive Chirurgie zunehmend verloren geht, muss man das Fingerspitzengefühl des Arztes irgendwie durch die Optik des Endoskops simulieren. So kann man das Gewebe leicht mechanisch oder thermisch anregen und die Verformung, die je nach Gewebe unterschiedlich ist, über ein Hologramm messen.
Ostens Vision ist die Kombination verschiedener optischer Messtechnologien zur schnellen Prüfung großer Gegenstände in mehreren Schritten. Es macht nämlich keinen Sinn, die Tragfläche eines Flugzeugs im Nanometermaßstab nach Defekten abzusuchen – dazu bräuchte man Monate. Die Zukunft gehört deshalb hierarchischen Konzepten, sagt Osten: „Erst einmal grob messen und an verdächtigen Stellen schrittweise die Auflösung steigern.” ■
