Photonik als Schlüsseltechnologie für Zukunftsmärkte

Übrigens lässt sich die Bezeichnung „Laser“ auf den Vorgang, welcher bei der Entstehung von Lichtimpulsen abläuft, zurückführen. Das Wort „Laser“ ist ein Akronym, das aus dem Englischen stammt und für „light amplification by stimulated emission of radiation“ steht, zu Deutsch „Lichtverstärkung durch stimulierte Aussendung von Strahlung“.

Was heute eine Selbstverständlichkeit und vor allem in der Industrie, Medizin und Unterhaltungselektronik nicht mehr wegzudenken ist, war zu diesem Zeitpunkt eine eindrucksvolle Erfindung. Bereits 1917 hatte Albert Einstein angenommen, dass es möglich sein muss, Licht zu bündeln. Doch ob es wirklich funktionieren würde, war seinerzeit noch unklar.

Seit der ersten gezielten Erzeugung eines Laserstrahls hat sich viel verändert und die Photonik entwickelte sich in den vergangenen Jahren zu einer der wichtigsten Technologien der Zukunft. So ist Lasertechnik heute, neben optischen Systemen, Messtechnik und Bildverarbeitung, ein wesentlicher Bestandteil der Photonik. Doch was ist Photonik eigentlich?

Grundlage der Photonik ist die Kraft des Lichts, denn Photonik nutzt die Besonderheiten von Licht bzw. die besonderen physikalischen Eigenschaften von Lichtquanten (Photonen). Im Mittelpunkt der Photonik steht die Erzeugung von optischen Signalen, die unter anderem für die Verarbeitung, Aufbereitung, Übertragung und Speicherung von Daten und Informationen eingesetzt wird. Photonen übernehmen dabei die Trägerrolle von Informationen. Im Vergleich zu Elektronen in elektronischen Anwendungen bieten Photonen eine höhere Leistungsfähigkeit, da Licht um ein Vielfaches schneller ist als Strom. Gesteuert werden die Lichtteilchen von Lichtimpulsen oder Wellenlängen, während Elektronen durch elektronische Signale gesteuert werden.

Wussten Sie, dass Licht eine Vielzahl an besonderen Merkmalen besitzt?

• Licht lässt sich bis auf den millionsten Teil eines Millimeters (Nanometer) fokussieren.
• Die höchste Geschwindigkeit, die in unserem Universum erzielt werden kann, ist die Lichtgeschwindigkeit (= 299.792 km pro Sekunde).
• Damit könnte Licht die Erde innerhalb einer Sekunde sieben Mal umrunden.
• Licht ist in etwa zehn Mal schneller als Strom.
• Die kürzesten Lichtpulse dauern eine Attosekunde, das ist der milliardste Teil einer milliardstel Sekunde.

Photonik als vielseitige Schlüsseltechnologie für Medizintechnik und Gesundheit

In der Medizintechnik ist der Teilbereich Biophotonik richtungsweisend für Wissenschaft und Forschung. Unter Biophotonik versteht man dabei die Anwendung von photonischen Lösungen in der Biologie. Dank des Einsatzes dieser Technologien, zum Beispiel in Instrumenten zur digitalen Bildverarbeitung, werden unter anderem Diagnostikverfahren verbessert; Lebensprozesse werden detailgetreu erfasst und analysiert.

Vor allem die Forschung in Bereichen wie Live-Cell-Imaging, Zytometrie oder molekulardiagnostische Verfahren können mithilfe von digitalen Imaging-Lösungen unterstützt und gefördert werden. In gleicher Weise profitieren medizinische Anwendungen von Hochleistungs-Diodenlasern, zum Beispiel für laserbasierte Behandlungsmethoden in der Chirurgie, Zahn- und Augenheilkunde oder bei Geräten zur Haarentfernung.

Photonik erhöht die Sicherheit sowohl im Straßenverkehr als auch im industriellen Umfeld

Photonik trägt ebenso maßgeblich zu Trendthemen in der Verkehrssicherheit bei. Im Fokus stehen hierbei autonomes Fahren, die Weiterentwicklung von Smart Cities oder Transformationen in der Mobilität. Dabei spielt vor allem LIDAR (Englisch: light detection and ranging) eine wesentliche Rolle. Innovative Sensoren helfen beispielsweise Fahrzeugen, mithilfe einer Lasertechnologie Hindernisse zu erkennen, Abstände zu messen und die Orientierung im Umfeld zu behalten. Dies führt zu mehr Sicherheit und Autonomie.

Sicherheit ist nicht nur im Straßenverkehr entscheidend, sondern auch in Industrie- und Automatisierungsprozessen. So ist es in diesen Bereichen unter anderem wichtig, Wärmeverteilung und -verluste sichtbar zu machen und Temperaturunterschiede zu messen. Genutzt werden dafür Sensorik- und Imaging-Lösungen wie Thermografiekameras, die mittels Infrarottechnik präzise Wärmebilder ermöglichen.

Schnellere Kommunikation dank Photonik

War früher Kupfer das Medium der Wahl zur Datenübertagung, ist es heute Licht. Moderne Kommunikationstechnologien bauen auf Glasfaserkabel, die mithilfe von Photonen den Transfer von Informationen realisieren. Dabei werden elektrische Signale durch Leucht- oder Laserdioden in optische Signale umgewandelt. Lichtwellenleiter, in diesem Fall Glasfasern, übertragen anschließend die Daten in Form von Lichtsignalen mit hoher Geschwindigkeit.

Photonik ermöglicht aber nicht nur die optische Übertragung von Daten, sondern auch innovative Darstellungssysteme, zum Beispiel für Virtual Reality (VR). Dank solcher VR-Lösungen können wir digital, ohne physischen Kontakt, in neue, softwaregenerierte Welten abtauchen. Mit Hilfe von Head-up-Displays (oder Headmounted-Displays) werden Nutzer in virtuelle Umgebungen versetzt. Im Zusammenspiel mit Augmented Reality (AR, „erweiterte Realität“), also der Überlagerung von virtueller und realer Welt, erlaubt diese Technologie dem Anwender, in der neuen Umgebung zu interagieren.

Bekannt ist dies von Videospielen. Aber nicht nur dort findet AR Anwendung, sondern zum Beispiel auch in der Medizinbranche. Durch den Einsatz von AR können Operationsmethoden verbessert und medizinische Eingriffe exakter durchgeführt werden. Auch in der Landwirtschaft haben VR-Brillen ihren Platz gefunden, und zwar in manchen Kuhställen. Softwarebasierte VR-Welten simulieren, dass sich die Tiere auch im Winter auf der grünen Weide befinden, was die Milchproduktion fördern könnte.