Kann man mit einem Laser, zwei Autoreifen, einer CD und einer Kamera Objekte auflösen, die 1000 mal kleiner sind als ein menschliches Haar? Jochan Brede, Student im ersten Semester, zeigt, wie es unter Ausnutzung des Phänomens der Speckle-Muster geht. Eigentlich schon seit Newtons Zeiten bekannt, erlangten Speckles mit der Erfindung des Lasers eine große Bedeutung z.B. in der Materialforschung zur Charakterisierung von kleinsten Verformungen. Dabei benutzt man in der Regel ein interferometrisches Verfahren, welches hohe Ansprüche an die Stabilität der Messapparatur stellt. Mit experimentellem Geschick und großer Ausdauer gelingt es Jochan Brede in seiner Jugend forscht - Arbeit "Projekt X", mit einem deutlich einfacheren Aufbau, eine Auflösung im Nanometerbereich zu erreichen. Dafür erhielt er von der Jury den 1. Preis und wird MV auf dem Bundeswettbewerb im Mai vertreten.
Pressemitteilung: https://www.wemag.com/aktuelles-presse/nachwuchs-forscht-und-entwickelt-mutig-ideen-fuer-die-zukunft
So beschreibt der Sieger selbst seine physikalische Idee:
"Laser Speckle ist ein Interferenz- und Beugungsmuster, das entsteht, wenn kohärentes Licht auf eine raue Oberfläche trifft. Die dabei entstehenden Phasenunterschiede nutze ich, um Informationen über die Oberfläche zu gewinnen.
In meiner Arbeit untersuche ich, ob und vor allem wie Details, die kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichts sind, mit Speckle-Mustern aufgelöst werden können.
Ich habe dazu in mehreren Schritten einen Messaufbau entwickelt.
Dabei habe ich die Auflösung des Aufbaus verbessert und für Messungen von wenigen Nanometern ausgelegt, indem ich eine Vielzahl von Störquellen eliminiert habe.
Für alle Messaufbauten entwickelte ich eine entsprechende Messsoftware zur Steuerung.
Um zufällige Schwankungen zu erkennen und zu filtern, nahm ich bis zu einer Million Bilder pro Messung auf.
Parallel zur Entwicklung des Messaufbaus habe ich einen Auswertealgorithmus entwickelt, der Verschiebungen der Bilder im Subpixelbereich erkennen kann.
Mit meinem Messaufbau konnte ich zeigen, dass es möglich ist, Oberflächenveränderungen von 10nm mit einer einfachen, handelsüblichen Kamera zu erkennen.
In meinem Aufbau verursachte jede 10nm Verschiebung der Kamera eine 100nm Verschiebung des Speckle-Bildes auf dem Kamerasensor. Dies habe ich mit mehreren Sensoren wiederholen können.
Damit habe ich mein Ziel, Oberflächenänderungen von einigen 100nm zu messen, mit einem sehr einfachen Aufbau, der nur aus einem Laser mit Streuscheibe, einem Aktuator und einer Webcam besteht, übertroffen. "