Winzige Bewegungen sichtbar machen

Kleinste Verschiebungen oder Verkip­pungen eines Laser­strahls präzise zu messen, ist in vielen wissen­schaft­lichen oder techni­schen Anwen­dungen wich­tig, bei­spiels­weise in Raster­kraft­mikro­skopen. Die Weak Value Ampli­fi­ca­tion (WVA), eine Metho­de, die aus Über­le­gungen zu den Grund­lagen der Quan­ten­mecha­nik ent­stand, zeig­te be­reits, dass sich un­ter be­stimm­ten Be­ding­ungen das Aus­gangs­signal eines Inter­fe­ro­me­ters deut­lich än­dert, wenn sich die Strah­len in­ner­halb des In­ter­fe­ro­me­ters nur mini­mal ver­än­dern.

Das Dove-Prisma, das Car­lotta Vers­mold in den Strah­len­gang des In­ter­fe­ro­me­ters ein­bau­te, er­zeugt eine zu­sätz­li­che Spie­ge­lung des ein­fal­len­den Lichts.

LMU-Physi­kerin Carlotta Vers­mold und ihre Kol­le­gen, alle Mit­glie­der im Ex­zel­lenz­clus­ter MCQST, haben in Zu­sam­men­arbeit mit For­schen­den der Tel Aviv Uni­ver­sity nun diese Art von Mes­sung­en aus­ge­wei­tet. Das Team ent­wick­elte einen Trick, um auch Än­de­rung­en des Ein­gangs­strahls zu ver­stär­ken. Damit las­sen sich deut­lich ge­naue­re und bis­lang schwer mög­li­che Mes­sung­en ma­chen, auch wenn die Stö­rung­en des Licht­strahls weit außer­halb des In­ter­fe­ro­me­ters pas­sie­ren. So könnte etwa ein Laser­strahl, der von ei­nem ent­fern­ten Fens­ter re­flek­tiert wird, Vi­bra­tio­nen des Gla­ses auf­neh­men, die durch Ge­sprä­che im In­ne­ren des Ge­bäu­des ent­ste­hen. So ließen sich die Ge­sprä­che im Ge­bäu­de mit­hören.

In üblichen Interfero­metern würde die Ver­ände­rung des ein­fal­len­den Lichts in bei­den Armen des In­stru­ments zu glei­chen Än­de­rungen füh­ren – und sich im Aus­gangs­signal un­ver­än­dert wie­der­fin­den. Vers­mold und ihre Kol­le­gen füg­ten ein Dove-Prisma in den Strah­len­gang ei­nes der Ar­me des In­ter­fe­ro­me­ters ein. Diese Art von Pris­ma er­zeugt eine zu­sätz­li­che Spie­ge­lung, die dazu führt, dass sich eine Ver­schie­bung des Ein­gangs­strahls in den bei­den We­gen ent­ge­gen­ge­setzt aus­wirkt und so die weit ent­fern­te Stö­rung ef­fek­tiv in das In­ter­fe­ro­me­ter ver­la­gert wird. Das Er­geb­nis ist eine ver­stärk­te Ver­schie­bung.

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Carlotta Versmold maß die Ver­kip­pung und Ver­schie­bung eines in das In­ter­fe­ro­me­ter ein­fal­len­den Strahls mit ei­ner Prä­zi­sion von Zehn­teln ei­nes Mi­kro­ra­dians be­zie­hungs­wei­se Zehn­teln ei­nes Mi­kro­me­ters, deut­lich weni­ger als der Strahl­durch­mes­ser von etwa zwei Mil­li­me­tern. Zur De­mon­stra­tion ko­dier­te sie Musik in die Schwing­ungen ei­nes Spie­gels und lei­te­te an­schließend den von die­sem Spie­gel re­flek­tier­ten Laser­strahl in ihr In­ter­fe­ro­me­ter. Die Klang­quali­tät des Sig­nals war deut­lich bes­ser im Ver­gleich zu Audio­sig­nalen, die ohne In­ter­fe­ro­meter in Licht und wie­der zurück in Schall um­ge­wan­delt wur­den. „Dies zeigt das Po­ten­zial der Me­tho­de für be­son­ders em­pfind­li­che Mes­sung­en“, sagt LMU-Physik­pro­fes­sor Harald Wein­fur­ter, Letzt­autor der Studie. [LMU / dre]