BAHNBRECHENDE WISSENSCHAFT BEFÄHIGEN

NPL adressiert fünf Wissenschaftsfelder – genannt Science Cases – die ihr Potential zu bahnbrechenden Ergebnissen nur durch den Einsatz optischer Komponenten und Instrumente extremster Anforderungen abrufen können. Allen Science Cases ist gemein, dass

  • die Instrumente so ambitioniert sind, dass ihre Entwicklung nicht aus der Community selbst heraus erfolgen kann und dies in der Community auch so gesehen wird,
  • kein kommerzieller Hersteller die Instrumente umsetzen kann und die notwendige Vorentwicklung marktbedingt wirtschaftlich nicht darstellbar ist,
  • die technologischen Herausforderungen durch die wissenschaftliche Expertise von NPL vollständig abgedeckt sind,
  • sie überlappende Entwicklungsbedarfe haben, damit Synergien gehoben werden.

Durch die Erforschung innovativer Verfahren, Komponenten und Systeme befähigt NPL diese Science Cases zur Umsetzung ihrer wissenschaftlichen Missionen und definiert einen neuen Standard in der Photonik.


IM FLUSS DER RAUMZEIT: GRAVITATIONSWELLENASTRONOMIE

Gravitationswellen entstehen, wenn Sterne kollidieren. NPL hilft sie sichtbar zu machen. (Quelle: Petrovich12 / Fotolia)

Seit Anbeginn der Menschheit blicken Menschen zu den Sternen. Wichtige Bereiche des Universums sind unserem Blick jedoch verborgen. Im Gegensatz zu Licht können Schwingungen der Raumzeit – genannt Gravitationswellen – weitestgehend ungestört durch Materie propagieren. Nach 50 Jahren internationaler wissenschaftlicher Anstrengungen gelang 2015 dem Wissenschaftlerteam von Advanced LIGO die sensationelle erste Messung der von Einstein vorhergesagten Gravitationswellen. Sie stoßen damit ein neues Fenster in das Universum auf.

Herzstück dieser Gravitationswellendetektoren sind hochempfindliche Laserinterferometer, deren Optiken extremen Anforderungen genügen müssen. NPL wird seine Kompetenz in der Herstellung großflächiger Nanostrukturen nutzen, damit zukünftige Gravitationswellenobservatorien unser Verständnis von Entstehung, Zustand und Schicksal unseres Universums revolutionieren werden.
> Science Case Gravitationswellen‑Astronomie


DER HIMMEL NACH HUBBLE: ASTROOPTIK

GAIA-Mission
Innovative optische Spektrometergitter des Fraunhofer IOF befähigen die GAIA-Mission unsere Milchstraße zu erkunden. (Quelle: ESA)

Der Blick in die Sterne fasziniert wohl Menschen in allen Kulturkreisen gleichermaßen. Die moderne Astronomie dient dem grundlegenden Erkenntnisgewinn über die Entstehung des Weltalls sowie über Naturgesetze und Elementarteilchen, ist aber gleichzeitig ein echter Innovationsmotor. Darüber hinaus ist das Verständnis der Sterne wichtig für unsere hochtechnisierte Gesellschaft, die z. B. durch nicht vorhergesagte solare Aktivitäten massiv gestört werden kann.

Die „Flaggschiffe“ der optischen Astronomie sind eine neue Klasse von Großteleskopen, wie das europäische E-ELT, mit Spiegeldurchmessern von bis zu 40 m. Diese Giganten können aber erst ihre Wirkung entfalten, wenn die Leistungsfähigkeit der nachgeschalteten Instrumente ebenso gesteigert wird. Dazu werden z. B. Gitter mit höchster Effizienz und Wellenfrontgenauigkeit bei minimalem Streuverlusten zur spektralen Zerlegung des Lichts benötigt. NPL realisiert solche optischen Hochleistungskomponenten, deren Eigenschaften gemeinsam mit den Endanwendern auf die Zielanwendung maßgeschneidert werden, und trägt dazu bei, dass Großteleskope zu „Wissensmaschinen“ für das 21. Jahrhundert werden.
> Science Case Astrooptik


WENIGER IST MEHR: ATTOSEKUNDEN, XUV UND RÖNTGENLASER

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Attosekundenlaser helfen uns Vorgänge in Atomen zu verstehen und werden durch NPL zum Standardwerkzeug.

Mikroskope ermöglichten die Entdeckung von Objekten, die zu klein für das menschliche Auge sind. Mit Lasern werden heute auch Prozesse studiert, die viel zu kurz sind, um sie mit bloßem Auge oder anderen Verfahren wahrzunehmen. Dabei werden routinemäßig femtosekunden-kurze Laserblitze eingesetzt.

Für einen noch detaillierteren Einblick in die Dynamik der Materie entstehen derzeit Lichtquellen einer neuen Generation. Freie-Elektronen-Laser und HHG-Quellen erzeugen Lichtblitze mit weniger als 100 Attosekunden Dauer: das sind die kürzesten von Menschen erzeugten Ereignisse überhaupt. Diese Strahlquellen sind sowohl für die Grundlagenforschung in Medizin, Pharmazie, Biologie, Chemie und Physik als auch für Anwendungen z. B. in der Halbleitertechnik und Materialentwicklung hochrelevant.

Um diese extremen Lichtquellen effizient zu nutzen muss die Entwicklung optischer Komponenten, die den extremen Anforderungen dieser Lichtquellen genügen, ganz neu gedacht werden. Ziel ist es, maßgeschneiderte, großflächige, sub-nanometer-genaue Freiformoptiken aus Hochleistungsmaterialien zu fertigen, um das Potential der neuen Lichtquellen in wissenschaftlichen Experimenten voll nutzen zu können.
> Science Case Extreme Lichtquellen


DIE SONNE AUF DER STECKNADEL: HOCHINTENSITÄTSLASER

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Hochintensitätslaser verschieben die Grenzen der Physik. NPL erweitert ihr Leistungsspektrum.

Laserlicht ist eines der mächtigsten Werkzeuge, um Struktur und Dynamik von Materialien zu untersuchen, andererseits können mit ihm dramatische Zustandsänderungen von Materie erreicht werden. So können Teilchen auf extreme Geschwindigkeiten beschleunigt oder neuartige hochenergetische Lichtquellen realisiert werden. Hochintensitätslasersysteme sind in der Hochenergiephysik, für Materialbearbeitung und biologisch-medizinische Anwendungen unverzichtbar.

Unentbehrlich für die Realisierung höherer Spitzenintensitäten und kürzerer Pulsdauern sind optische Pulskompressions-Gitter. Neben einer hohen Effizienz müssen diese eine große spektrale Bandbreite aufweisen und extreme Anforderungen an Wellenfrontgenauigkeit und Streulichtunterdrückung erfüllen. Ihre Schwachstelle liegt derzeit in ihrer geringen Leistungsbeständigkeit. Deshalb sind größere Gitter und größere Zerstörschwellen ein Nadelöhr der Laserentwicklung. Optische Gitter werden von NPL mit Nanostrukturierungstechnologie auf neuartigen Material- und Schichtsystemen hergestellt, so dass zukünftige Hochleistungslasersysteme in neue Parameterbereiche vorstoßen und gleichzeitig kompakter werden können.
> Science Case Hochintensitätslasersysteme


QUANTENTECHNOLOGIE: DIGITALISIERUNG JENSEITS VON 0 UND 1

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Globale Quantenkommunikation wird eine neue Ära der Datensicherheit einleiten (Quelle: braverabbit/Fotolia).

Die scheinbar exotischen Gesetze der Quantenwelt sind eine der wichtigsten wissenschaftlichen Errungenschaften des letzten Jahrhunderts, mit der wir die Nanowelt verstehen können. Fortschritte in Wissenschaft und Technik erlauben es uns jedoch zunehmend quantenphysikalische Effekte auf makroskopischer Skala darzustellen. Anwendungen wie der Quantencomputer oder Quantenkommunikation liegen in greifbarer Nähe. Gänzlich neue Wissenschaftsfelder wie Quantensensorik, Gravitationsbildgebung, Quantennavigation und Quanten-Remote-Bildgebung werden entstehen.

Die Quantentechnologien auf photonischer Basis stellen hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit optischer Komponenten, wie z.B. geringes Streulicht, höhere Reflexion und Wellenfrontgenauigkeit, sowie an die Integration optischer Funktionalitäten durch aktive Korrekturen, Freiformen, Mikro- und Nanostrukturen. Optiken für extreme Lichtquellen benötigen Substrate mit höchster Formtreue und geringster Rauheit auf großen räumlichen Skalen. Das NPL bietet Forschern und Anwendern die technologische Plattform, die nötigen Optiken und Systeme in seiner Gesamtheit und Güte bereitzustellen.
> Science Case Optiken für Quantentechnologien