Applied Photonics Award 2024

Von der verbesserten Diagnostik für Gewebeproben über neue Fertigungsverfahren für die Elektronikindustrie bis hin zur hochpräzisen Synchronisation von Uhren mithilfe winziger Quanten – beim Applied Photonics Award 2024 wurden junge Nachwuchsforschende für ihre zukunftsweisenden Abschlussarbeiten auf dem Gebiet der angewandten Photonik ausgezeichnet. Der Preis wurde am 26. September im Rahmen der Photonics Days Jena verliehen.

Mit Lichtgeschwindigkeit in Richtung Zukunft – unter diesem Motto prämiert der Applied Photonics Award in diesem Jahr junge Forscher und ihre herausragenden Abschlussarbeiten, die innovative Lösungen in der angewandten Photonik erforschen und damit entscheidende Impulse für unsere technologische Zukunft setzen. Eine Fachjury, bestehend aus Vertreterinnen und Vertretern aus Wissenschaft und Industrie, hatte zuvor die prämierten Arbeiten ausgewählt. 2024 wurden drei Abschlussarbeiten in den Kategorien Bachelor, Master und Dissertation ausgezeichnet. Darüber hinaus vergab die Jury in diesem Jahr erstmalig drei Sonderpreise in den Kategorien wissenschaftliche Exzellenz, Nachhaltigkeit und Biophotonik, die die Bandbreite und Exzellenz der eingereichten Arbeiten wiederholt unterstreichen.

Beste Bachelorarbeit, Prämie 1.000 Euro: Leon Fuchs (Hochschule Aalen), „Konzeption einer Multispektralen Lichtquelle als Halogenlampenersatz“.

In der medizinischen Diagnostik und bei modernen Analyseverfahren spielen präzise Lichtquellen eine zentrale Rolle. Besonders in der Pathologie sind feinste Farbunterschiede entscheidend, um krankhafte Veränderungen in Gewebeproben zu erkennen. Bislang wurden hierfür herkömmliche Halogenlampen verwendet, die zwar Farben differenziert wiedergeben, jedoch aufgrund ihrer Wärmeentwicklung und kurzen Lebensdauer an ihre Grenzen stoßen.

Fuchs widmet sich in seiner Arbeit der Entwicklung einer multispektralen Lichtquelle, die Halogenlampen in medizinischen Anwendungen energieeffizient ersetzen soll. Durch die Kombination von LEDs unterschiedlicher Spektralbereiche erzeugt er ein lückenloses, farbtreues Licht. Diese innovative Lichtquelle ist nicht nur flexibler anpassbar, sondern könnte zukünftig die Präzision in der medizinischen Diagnostik und Behandlung maßgeblich verbessern.

Beste Masterarbeit, Prämie 2.000 Euro: Paula Heik (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg), „Development and characterisation of AlN VAT photopolymerisation“.

Von Smartphones über Laptops bis hin zur Ausstattung moderner Fahrzeuge – elektronische Geräte sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Die Herstellung ihrer Bauteile wird jedoch zunehmend komplexer und erfordert neue, effizientere Fertigungstechnologien. Materialien wie Aluminiumnitrid AlN spielen in der Elektronikindustrie eine immer wichtigere Rolle, um thermische und elektrische Anforderungen zu erfüllen.

In ihrer Masterarbeit erforscht Heik die Nutzung der VAT-Photopolymerisation zur Herstellung von keramischen Strukturen aus AlN. Diese Methode ermöglicht es, durch gezielte Lichteinstrahlung flüssiges Polymerharz zu härten und dabei keramische Partikel einzubinden. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wie Gießen oder Pressen bietet diese Methode eine hohe Geometrieflexibilität und ermöglicht die präzise Herstellung komplexer Strukturen. Dadurch könnten neue Anwendungen in der Halbleiter- und Elektronikindustrie erschlossen sowie kostengünstigere Produktionsprozesse realisiert werden.

Beste Dissertation, Prämie 3.000 Euro: Dr. Christopher Spiess (Friedrich-Schiller-Universität Jena), „Clock Synchronization with Single Photons“

In unserer vernetzten Welt stellen die abhörsichere Kommunikation sowie die Sicherheit kritischer Infrastruktur zwei zentrale Herausforderungen der Zukunft dar. Quantenkommunikationsnetzwerke, die auf der Übertragung von einzelnen Lichtteilchen, Photonen, basieren, könnten eine Lösung für eine besonders sichere Übertragung von Daten bieten. Denn, die Photonen reagieren extrem empfindlich auf Manipulation und können so Lauschangriffe unbefugter Dritter detektieren.

In seiner Dissertation entwickelt Spiess ein Protokoll für die hochpräzise Synchronisation von Uhren in solchen Quantenkommunikationsnetzwerken. Dieses funktioniert auf der Basis von Einzelphotonen, ohne dass zusätzliche Synchronisationsmuster oder hochstabile Atomuhren erforderlich sind. Weiterhin bietet diese Methode der Uhrensynchronisation eine höhere Genauigkeit und Stabilität als bisherige Technologien.

Neben der Quantenkommunikation hat das innovative Synchronisationsprotokoll das Potenzial, in kritischen Infrastrukturen wie Energie- oder Wasserversorgungsnetzen eingesetzt zu werden. Gleichzeitig können durch die entwickelte Methode auch mobile Geräte wie Laptops oder Smartphones problemlos in zukünftig gesicherte (Quanten-)Kommunikationsnetzwerke eingebunden werden. Darüber hinaus eröffnet das Verfahren neue Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Quantencomputing und der Raumfahrt.

Preis der Jury für wissenschaftliche Exzellenz, Prämie 1.000 Euro: Nils Bernhardt (Technische Universität Berlin, „Optical Bound States in the Continuum: Boosting the Effective Nonlinear Susceptibility of WS2“.

In der modernen Optoelektronik spielt die gezielte Manipulation von Licht eine immer größere Rolle. Ob in der Sensorik oder in der Telekommunikation – die Fähigkeit, Licht zu verstärken und präzise zu steuern, kann die Leistung und Effizient von Geräten erheblich verbessern. In seiner Arbeit untersucht Bernhardt wie Licht an nanostrukturierten Oberflächen gebündelt und verstärkt werden kann. Dabei zeigt er, dass durch die Integration einer atomar dünnen Materialschicht mit speziellen Eigenschaften, das gebündelte Licht zur Verstärkung optischer Phänomene genutzt werden kann.

Die erforschte Technologie ließe sich in photonischen und optoelektronischen Bauelementen einsetzen, wie etwa in empfindlichen Sensoren oder in der Miniaturisierung von Schaltkreisen. Zukünftig könnte so auch die Schnelligkeit und Effizienz von Smartphones bis hin zu ganzen Telekommunikationssystemen optimiert werden.

Preis der Jury für Anwendungen in der Nachhaltigkeit 1.000 Euro: Karina Trindade Ribeiro (Karlsruher Institut für Technologie, „Hybrid PV-thermal and Radiative Cooling Technology for Tri-generation of electricity, heating and cooling“.

Die Herausforderungen des Klimawandels erfordern neue, nachhaltige Technologien, die nicht nur Energie effizient erzeugen, sondern auch den Ressourcenverbrauch minimieren. In städtischen Gebieten sind besonders kompakte, multifunktionale Lösungen zur ressourcenschonenden Energieerzeugung notwendig, um den Anforderungen an begrenzte Platzkapazitäten gerecht zu werden.

In ihrer Masterarbeit stellt Ribeiro ein innovatives Hybridgerät vor, das einen effizienten, ganzheitlichen Ansatz zur Energiegewinnung in städtischen Wohngebieten liefern könnte. Das Gerät ermöglicht die gleichzeitige Erzeugung von Strom, Wärme und Kühlung auf einer einzigen Fläche. Die Arbeit zeigt, dass ein solches Gerät physikalisch umsetzbar ist und weist auf Potenziale für die Anwendung in verschiedenen Wohn- und Geschäftsgebäuden hin. Langfristig könnte das PVT-RC-Hybridgerät dazu beitragen, die Möglichkeiten für die ressourceneffiziente Gewinnung von Energie erheblich zu erweitern.

Preis der Jury für Anwendungen in der Biophotonik, Prämie 1.000 Euro: Dr. Jakob Lingg (Technische Universität München), „Shortwave-infrared Line-Scanning Confocal Microscope for Deep Tissue Imaging“.

Die exakte Darstellung von Strukturen und Prozessen in biologischem Gewebe ist entscheidend für die Diagnostik und die medizinische Forschung. Insbesondere während einer Operation sind bildgebende Verfahren mit hoher Sensitivität sowie räumlicher und zeitlicher Auflösung von großer Bedeutung, da sie einen präzisen Eingriff ermöglichen können.

In seiner Dissertation hat Lingg biomedizinische Bildgebungsverfahren im kurzwelligen Infrarotbereich SWIR entwickelt. Zum einen hat er ein Mikroskop entwickelt, das eine hochauflösende 3D-Darstellung von biologischem Gewebe ermöglicht. Das von ihm entwickelte Linien-Konfokal-Mikroskop in Kombination mit biokompatiblen Farbstoffen bietet eine sowohl hohe räumliche als auch zeitliche Auflösung bei gleichzeitig großer Penetrationstiefe. Dies ist besonders wertvoll für die Echtzeit-Beobachtung biologischer Prozesse in tieferen Gewebeschichten und ermöglicht dadurch relevante Anwendungen während operativer Eingriffe.

Darüber hinaus hat Lingg an makroskopischen Bildgebungsverfahren gearbeitet, die es ermöglichen, mehrere biologische Strukturen und Prozesse eines gesamten Organismus parallel in Echtzeit zu detektieren. Dadurch können auch frei bewegende Objekte beobachtet werden, ohne dass eine Narkose erforderlich ist. Dies ist von großer Bedeutung für die biologische Forschung, da das Verfahren weniger invasiv ist und die natürlichen biologischen Prozesse der Organismen dadurch weniger beeinträchtigt werden.

Der „Applied Photonics Award“ ging aus dem „Green Photonics“-Nachwuchspreis hervor – seit 2018 mit neuem Anstrich und neuer inhaltlicher Ausrichtung. Organisiert wird er durch das Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik in Jena. Das Institut betreibt seit über 25 Jahren anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet der Optik und Photonik. Diese Disziplinen tragen als Schlüsseltechnologien dazu bei, anstehende Herausforderungen für Gesellschaft, Wirtschaft und Industrie zu lösen. Um besonders originelle und innovative Abschlussarbeiten zu würdigen, die sich mit den Themen der Angewandten Photonik beschäftigen, wurde dieser Nachwuchspreis ins Leben gerufen.

Die Verleihung des „Applied Photonics Award“ erfolgte 2024 mit freundlicher Unterstützung des Vereins Deutscher Ingenieure VDI, der Landesentwicklungsgesellschaft Thüringen sowie der Unternehmen Jenoptik, Trumpf und Huawei Technologies.

Fh.-IOF / RK