Demonstratoren aus der PhoenixD Forschung

Wir haben einen smartphone-basierten optischen Schnelltest entwickelt, mit dem Ziel, die Technologie als vielseitige Plattform für patientenorientierte Diagnostik zu etablieren. Das Sensorprinzip basiert auf Oberflächenplasmonenresonanzen (SPR) und planar-optischen Polymer-Wellenleitern. Das realisierte System kann mit einem Smartphone betrieben werden und nutzt dessen Lichtquelle (Blitzlicht) zur Beleuchtung sowie die Kamera zur Detektion. Es ist darauf ausgelegt, verschiedene Biomarker zu detektieren, die für die menschliche Gesundheit oder das Wohlbefinden relevant sind. Zum Beispiel wurde das System zur Detektion von diagnostischen Biomarkern wie CRP (C-reaktives Protein, Entzündungsmarker) und BNP (B-Typ natriuretisches Peptid, Herzmarker) oder von Vitamin D angewendet. Es kann Substanzen im flüssigen Zustand analysieren, also aus Blut-, Speichel- oder Schweißproben. In Zukunft soll die Plattform so erweitert werden, dass sie mehrere Biomoleküle gleichzeitig (Multiplexing) mit hoher Sensitivität und Spezifität nachweisen kann. Sie soll sowohl von geschultem Personal in Kliniken als auch von Laien, also den Nutzern selbst, zur Selbstüberwachung zu Hause verwendet werden können.

Kontakt: Prof. Dr. Bernhard Roth

Die linsenlose holografische Mikroskopie ist eine revolutionäre Technik, die die Grenzen der Mikroskopie erweitert. Anders als herkömmliche Mikroskope, die auf komplexe Linsensysteme zur Bildvergrößerung und -auflösung angewiesen sind, nutzt diese Technik keine Linsen. Stattdessen basiert sie auf einer Kombination aus mikroelektronischen Chips, wie Kamerachip und microLED-Chip, und holografischen Berechnungen. Diese Technologie bietet eine beeindruckende optische Auflösung von 700 nm und ein weites Sichtfeld, das der Größe des Kamerachips entspricht. Dies macht sie besonders geeignet für biowissenschaftliche Untersuchungen, insbesondere für die Langzeitbeobachtung von Zellkulturen, selbst unter den herausfordernden Bedingungen eines Inkubators mit hohen Temperaturen und feuchter Umgebung. Darüber hinaus macht diese Technik Mikroskopie in kompakter und alltagstauglicher Hardware weit zugänglich. Ein vielversprechender Einsatzbereich könnte die mobile medizinische Analyse sein, die eine kosteneffiziente Gesundheitsversorgung fördern könnte.

Die Entwicklung dieser optischen Basistechnologien führte zur Gründung eines Startups, der QubeDot GmbH. QubeDot überführt nun diese Technologien in die Anwendung und wurde dafür 2024 mit dem hochrangigen EIC Accelerator Grant des European Innovation Council ausgezeichnet.

Kontakt: Prof. Dr. Andreas Waag

In neuromorphen Rechensystemen wird die Struktur biologischer neuronaler Netze, insbesondere die massiv parallele Vernetzung der Neuronen, durch Hardware nachgebildet. Dieser Demonstrator realisiert die parallelen Verbindungen in Optik, wobei der Einsatz von mikroLED-Arrays auf Galliumnitrid-Basis eine besonders effiziente Konvertierung der elektrischen Aktivierungen in optische Signale ermöglicht. Zur Demonstration der Funktionalität wird ein Datensatz handgeschriebener Ziffern klassifiziert.

Kontakt: Prof. Dr. Andreas Waag

Quantentechnologien ermöglichen schon heute eine neue Art der geheimen, abhörsicheren Kommunikation. Um dieser zukunftsweisenden Technologie den Weg in die breite Anwendung zu ebnen, entwickelt, fertigt und demonstriert ein interdisziplinäres Team im Excellenzcluster PhoenixD einen mikrooptischen Sender für den sog. Quantenschlüsselaustausch. Dabei werden moderne Techniken der Optikfertigung eingesetzt, darunter Pick and Place von Mikrooptiken mit aktiver Justierung, Ionenstrahl Sputtern, selektives Laser-Ätzen und direkte Laser Lithographie.

Kontakt: Prof. Dr. Michael Kues

Die Photonik der Zukunft setzt auf miniaturisierte Chips mit integrierten optischen Komponenten, die untereinander und mit der Außenwelt verbunden sind. Für den Optical Micro-Platform Demonstrator haben wir eine Laserdiode, Photodioden und einen Dünnschichtfilter zu einer funktionalen Einheit auf einer Glasplattform kombiniert. Auf dieser Plattform können Polymer-Wellenleiter mit verschiedenen Herstellungsverfahren wie Lithographie oder Direktdruck in einem Inline-Prozess realisiert werden. Unsere Plattform erhält ihre Vielseitigkeit durch funktionale Dünnschichtsysteme, die durch Ionenstrahlsputtern hergestellt und in einem Laserschneid-Prozess miniaturisiert werden. Die Montage und Ausrichtung der Komponenten erfolgt mit unserer Präzisionsoptik-Montageanlage.

Kontakt: Prof. Dr. Detlev Ristau

Der Einstein-Elevator bietet eine weltweit einzigartige Infrastruktur für Experimente unter definiert einstellbaren Gravitationsbeschleunigungen. Im Demonstrator wurden Mikrolinsen unter verschiedenen Gravitationsbedingungen hergestellt, deren geometrische Abmessungen sich je nach Gravitationseinfluss unterscheiden. Der Demonstrator veranschaulicht interaktiv die daraus resultierende Änderung der Brennweite.

Kontakt: Dr. Christoph Lotz

Im Projekt MOONRISE  soll der laserbasierte 3D-Druck auf dem Mond eingesetzt werden. Der Mondstaub – genannt Regolith – soll als Baumaterial dienen. Er wird mit einem intensiven, verfahrbaren Laserstrahl aufgeschmolzen und erstarrt beim Abkühlen zu einer harten Struktur. Für die erstmalige Technologiedemonstration unter Mondbedingungen wird ein weltraumtaugliches Lasersystem entwickelt, das auf einer kommerziellen Mondlandemission von Astrobotic mitfliegen wird. Die Analyse der Schmelzobjekte wird durch eine selbst entwickelte Künstliche Intelligenz unterstützt.

Kontakt: Prof. Dr. Dietmar Kracht

Der digitale Zwilling fungiert in der mehrstufigen Produktion optischer Elemente und der Montage optischer Systeme als zentrale Schnittstelle zwischen realer und virtueller Fertigung. Um die Registrierungsgenauigkeit an verschiedenen Produktionsstationen für optische Systeme zu maximieren, wird ein planarmotorbasiertes, vollintegriertes Achssystem eingesetzt. Dieses System übernimmt in einer automatisierten Produktionsmatrix sowohl den Transport zwischen einzelnen Stationen als auch die präzisen Ausrichtebewegungen innerhalb der Fertigungsstationen. Dadurch wird der Bedarf an zusätzlichen Achssystemen reduziert, was wiederum die Investitionskosten senkt. Das Subsystem demonstriert sowohl die erreichbare Präzision als auch die flexible Kombination verschiedener Freiheitsgrade in exemplarischen Bearbeitungsstationen. Gleichzeitig ermöglicht der digitale Zwilling eine adaptive Optimierung und Echtzeit-Korrektur der Prozesse entlang der gesamten Produktionskette.

Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Behrend Denkena