Ein Vergleich, wie Lichtstrahlen durch eine gewöhnliche Linse (links) und eine Streulinse (rechts) wandern, verbunden mit den so entstehenden Abbildungen von Goldpartikeln – Foto mit freundlicher Genehmigung des MESA+ Instituts für Nanotechnologie an der Universität von Twente


Elbert van Putten ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand an der Universität von Twente im niederländischen Eschede. Sein Forschungsschwerpunkt ist die Bildgebung mit gestreutem Licht, oder weniger hochtrabend ausgedrückt: das Erstellen von Bildern.

Will man ein Objekt darstellen, etwa Zellen durch ein Mikroskop, dann benutzt man transparente Linsen. Sie fokussieren die Lichtstrahlen auf einen Punkt und erzeugen so das Bild. Jeder Defekt einer solchen Linse, jede Rauheit der Oberfläche—und in der Praxis weisen alle Linsen gewisse Defekte der Oberfläche auf—wird eine Bildauflösung verursachen, die vom theoretischen Idealwert abweicht.

Wir als Team forschen in entgegengesetzter Richtung. Wir stellen Linsen her, die nicht transparent, sondern opak sind und so die Lichtwellenfront streuen. Normalerweise lässt sich so kein Bild erzeugen. Wir fanden jedoch heraus, dass es möglich ist, sich auf die Streuung einzustellen, wenn es gelingt, jede einzelne Lichtwelle zu kontrollieren, die diese Linse bestrahlt. So lassen sich die Lichtstrahlen durch opakes Material hindurch fokussieren. Man kann die gestreuten Lichtstrahlen kontrollieren, indem man ihren Einfall auf die Linse verändert.

Für die Beobachtung der Lichtstrahlen verwenden wir kleine Flüssigkristallvorrichtungen. Sie funktionieren wie Computermonitore, sind aber wesentlich kleiner. Während das Licht von einer solchen Vorrichtung reflektiert wird, kann die Phase des Lichtstrahls verändert werden. Sie lässt sich im Prinzip gegenüber der übrigen Lichtwelle zeitlich verlängern oder verkürzen. Und da das Ergebnis eine Unmenge von Pixeln ist, die sich individuell beobachten lassen, kann man präzise bestimmen, wo die reflektierten Lichtstrahlen ankommen. Es ist möglich, die Streuwirkung eines bestimmten Materials auf das Licht vorherzusagen, wenn man die Transmissionsmatrix misst, die die einfallende Lichtwellenfront mit dem gestreuten Licht in Relation setzt. Verwenden wir eine normale Linse, ist das Verhältnis zwischen einfallendem und hindurchgelassenem Licht sehr einfach. Es beginnt als normale Welle, die zunehmend fokussierter wird. Streut das Material dagegen das Licht, dann beobachten wir ein weitaus komplexeres Verhältnis. Lichtstrahlen werden aus einem bestimmten Winkel losgeschickt und kommen auf der anderen Seite in allen möglichen Winkeln mit zufälligen Phasen an. Eine sehr große Matrix mit vielen Zahlen ist erforderlich, um das Verhältnis zwischen einfallendem und austretendem Licht zu beschreiben. Hat man diese Information aber einmal gewonnen, lässt sich exakt vorhersagen, wie das Licht aus einem optischen Element heraustreten wird.

Bei Verwendung konventioneller Optiken bilden 200 Nanometer den ungefähren Grenzwert des kleinsten darstellbaren Objektes. Das liegt daran, dass Licht eine Welle ist. Die Beugungsgrenze bedingt, dass der Fokussierungspunkt einer Welle nicht kleiner als die halbe Wellenlänge sein kann. Sichtbare Lichtwellenlängen liegen zwischen 400 und 650 Nanometer. In unserer letzten Studie konnten wir zeigen, dass sich Objekte abbilden lassen, die kleiner als 100 Nanometer sind, wenn man Materialien mit signifikant niedrigeren Beugungsgrenzen verwendet. Die Streuwirkung eines bestimmten Materials auf das Licht ist nicht relevant—vorausgesetzt, das Licht ist kodiert und man hat eine korrekte Transmissionsmatrix, funktioniert die Bildgebung. Wenn Material aber Licht eher absorbiert, als streut, ist es komplizierter. Es gab aber ein Experiment, in dem wir Lichtstrahlen durch ein Stück Hühnerfleisch schickten und es gab keine Probleme.

Die praktische Anwendung der Streulinse liegt vor allem in der Mikroskopie. Aber auch in der Medizin wäre sie einsetzbar, da Scanner oft nur an der Hautoberfläche lesen können. Ein faszinierendes Gedankenspiel, was möglich wird, wenn wir unsere Haut zur Linse machen können, um abzubilden, was darunter liegt. Man mag sich gar nicht vorstellen, was passiert, wenn diese Technologie in die Hände von Künstlern gerät.