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Dirk Döbler, Ulrike Woggon, Thomas Prinzler und Günther Tränkle vor dem Eingang der WISTA in Berlin-Adlershof

Dr. Dirk Döbler, Prof. Ulrike Woggon, Thomas Prinzler und Prof. Günther Tränkle, Foto: Gundula Krause/rbb 2020

Jedischwert und Quantenrechner – Optik-& Photonikforschung in Berlin (Folge 6)

Viele von uns kennen das Laserschwert der Jediritter, profitieren von Wettersatelliten, verlassen sich auf exakte Zeitmessungen von Atomuhren, bewundern Special Effects in Hollywoodfilmen oder freuen sich auf selbstfahrende Autos in naher Zukunft. All diese Themen verbindet, das in ihnen viel Optik und Photonik steckt und eben darüber spricht Thomas Prinzler mit seinen Gästen: Prof. Ulrike Woggon von der TU Berlin erläutert, was die Laser an ihrem Institut besser können als die Jedischwerter aus der Star Wars Reihe. Prof. Günther Tränkle vom Ferdinand-Braun-Institut in Adlershof zeigt auf, wie LiDAR-Systeme funktionieren, die das autonome Fahren überhaupt erst ermöglichen und Dirk Döbler von der Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik (GFaI) berichtet von der Entwicklung der Akustischen Kamera, die von Adlershof aus den Siegeszug in alle Welt antrat.

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Die Aufzeichnung der Sendung fand im Pasteur-Kabinett der WISTA in Berlin-Adlerhof statt.

Die Folge ist eingebettet in die Berlin Science Week und Falling Walls, die zwischen dem 1. und 10 November zahlreiche (Online-)Events, Gespräche und Vorlesungen von und mit Berliner Wissenschafter*innen bietet.

Prof. Dr. Ulrike Woggon bei der Aufnahme des LNDW-Podcasts in Berlin Adlershof
Prof. Dr. Ulrike Woggon, Foto: Gundula Krause/rbb 2020

Das 21. Jahrhundert als Jahrhundert des Photons

Prof. Dr. Ulrike Woggon leitet an der TU Berlin den Fachbereich „Nichtlineare Optik“. „Wir arbeiten mit Lasern,“ erklärt sie, „die sehr hohe Feldstärken haben. Wir sind auf der Suche nach Materialien, die Licht emittieren, dafür müssen wir uns die Physik der Lichtmaterie-Wechselwirkung anschauen. Wir möchten möglichst kleine, kompakte Strahlungsquellen haben, Strahlungsquellen, die nur einzelne Photons auf Knopfdruck emittieren. Diese Materialien untersuchen wir mit unseren Lasern. Die nichtlineare Optik ist also eine Stereoskopiemethode.“

Die berühmten Jedischwerter aus der Star Wars Reihe sind für Frau Woggon daher auch nicht wirklich interessant. „Mit unseren Lasern schneiden wir keine Materialien wie es das Jedischwert machen würde. Für uns sind eher Laser interessant, die Materialien auf atomarer Ebene zum Schwingen bringen. Durch diese Schwingungen kann man höhere Frequenzen emittieren. Das kann das Jedischwert nicht.“

Diese höheren Frequenzen werden für den Einsatz verschiedener Quantentechnologien benötigt. Diese machen sich beispielsweise die Eigenschaft von Photonen (Photonen sind Quanten) zu nutze, sich in Paaren zusammen zu verschränken. Gelingt es, ein Photon gezielt zu beeinflussen, reagiert auch das damit verschränkte Photon. Effekte wie die Quantenveschränkung lassen sich dann in vielen Bereichen einsetzen, etwa in der Laser- und Halbleitertechnologie oder auch bei Quantenrechnern.

Prof. Dr. Günther Tränkle vom Ferdinand-Braun Institut in Berlin-Adlershof bei der Aufnahme des LNDW-Podcasts
Prof. Dr. Günther Tränkle vom Ferdinand-Braun Institut in Berlin-Adlershof, Foto: Gundula Krause/rbb 2020

Photonik als Wegbereiter des Autonomen Fahrens

Die Entwicklung von Halbleiterlaserdioden, die möglichst klein, mobil und günstig in der Herstellung sind, ist eine der vielen Aufgaben, denen sich das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Adlershof widmet. Diese werden unter anderem für das sogenannte LiDAR eingesetzt. Der Direktor des Instituts, Prof. Dr. Günther Tränkle, erläutert deren Funktionsweise:

„Beim autonomen Fahren muss man erst einmal die Szene erfassen. Dafür kann man Kameras nehmen oder auch Radarsysteme einsetzen. Eine weitere Möglichkeit ist das sogenannte LiDAR. Bei diesen Systemen werden Lichtimpulse ausgesendet. Die Lichtimpulse werden an einer Szenerie, also an Bäumen, Straßen, Häusern, Autos etc. reflektiert und kommen zurück. Aus der Lichtgeschwindigkeit kann man dann die Entfernung berechnen. Auf diese Weise erhält man ein Entfernungsbild der Szenerie um sich herum, sodass ein autonom fahrendes Fahrzeug die Szenerie um sich herum erkennt. Der Vorteil solcher LiDAR-Systeme ist, dass man sehr weit, bis zu 300 Metern schauen kann und man vor allem weiß, wie weit die Dinge jeweils genau entfernt sind. In unserem Institut entwickeln wir kostengünstige Halbleiterlaserdioden, die die Größe eines Sandkorns haben, sodass sie sich etwa in den Scheinwerfer eines Fahrzeugs verbauen lassen. “

Dirk Döbler, Bereichsleiter „Signalverarbeitung/Akustische Kamera“ bei der Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V. (GFaI), im Gespräch bei der Aufnahme zum LNDW-Podcast in Berlin-Adlershof
Dirk Döbler, GFaI, Foto: Gundula Krause/rbb 2020

Mit den Augen hören – die Akustische Kamera

Die Akustische Kamera ist eine der vielen Erfolgsgeschichten, die in den vergangenen, knapp drei Jahrzehnten am Standort Adlershof geschrieben wurden. Die bereits 1998 entwickelte Kamera wird mittlerweile weltweit in verschiedenen Formaten vertrieben. „Es gibt praktisch keinen Kontinent mehr,“ sagt Dirk Döbler, Bereichsleiter „Signalverarbeitung/Akustische Kamera“ bei der Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V. (GFaI), „auf dem die akustische Kamera nicht eingesetzt wird.“

Die Akustische Kamera besteht im Wesentlichen aus einem Bündel von Mikrofonen („Mikro-Arrays“). Diese können in alle Richtungen hören, sind aber so ausgerichtet, dass sich mit ihnen die Schallwellen zusammenführen lassen. Vergleichbar ist das mit einer Linse, bei der die Lichtquellen zusammengeführt werden. Zwar gibt es auch akustische Linsen, bei denen Kristalle Schallwellen bündeln, diese sind jedoch sehr groß und umständlich in der Anwendung. Mit den Mikro-Arrays der Akustischen Kamera gelingt das Gleiche, das System ist aber wesentlich flexibler und vielfältiger einsetzbar. „Anwendung findet die Akustische Kamera“, so Dirk Döbler weiter „vor allem in drei Bereichen: Lärmreduzierung, Sounddesign und zur Erkennung fehlerhafte Teile über Störgeräusche.“

Über den Standort Berlin-Adlershof sagt Döbler: „Hier sitzen viele KMU, Hochschulen und Forschungsinstitute dicht beieinander und begegnen sich daher zwangsläufig. Die enge Verzahnung von Grundlagen- und Anwendungsforschung ist ein Riesenvorteil des Standortes.“

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