Prof. Dr. Malte Gather: Forschung wirkt für neue optische Anwendungen

Malte Gather leitet das Humboldt Centre for Nano- and Biophotonics an der Universität zu Köln. Er verbindet Grundlagenforschung in der Photonik mit konkreten Anwendungen in Medizin, Sensorik und Industrie – und bringt mit neuartigen Polariton-Filtern optische Schlüsseltechnologien aus dem Labor in Richtung Marktreife.

1. Welchen Stellenwert hat Transfer in Ihrer bisherigen Karriere gespielt?

Ich habe schon früh an Projekten gearbeitet, die den Schritt von der Grundlagenforschung in klinische und industrielle Anwendungen wagen. Mein Ziel ist es, Grundlagenforschung und konkrete Anwendungen zusammen zu denken, sei es für die medizinische Diagnostik, für neue Displaytechnologien oder für neuartige optische Sensoren. Heute begleiten mein Team und ich mehrere Ausgründungen und Kooperationsprojekte mit Partnern aus Wirtschaft und Medizin. Für mich ist Transfer ein wichtiger Bestandteil meiner wissenschaftlichen Arbeit.


2. Von welcher Ihrer Transferaktivitäten möchten Sie berichten und was hat es damit auf sich?

Mein Team hat in den letzten Jahren einen neuartigen optischen Filter entwickelt, den wir derzeit zur Marktreife bringen – mit besonderem Fokus auf Anwendungen in Mikroskopie und Sensorik. Bislang galt es als kaum möglich, optische Filter herzustellen, die Licht verschiedener Farben zuverlässig trennen und dabei unabhängig vom Einfallswinkel des Lichts gleichbleibend gute Eigenschaften zeigen. Dieses Problem ist als „Dispersionslimit der Dünnschichtoptik“ bekannt.

Licht unterschiedlicher Farben voneinander zu trennen, ist in vielen technischen Anwendungen enorm wichtig. Das reicht von Mikroskopie und Biosensorik über optische Abstandsmessungen in autonomen Fahrzeugen bis hin zur satellitengestützten Wetterbeobachtung. Häufig möchte man solche Systeme besonders platzsparend realisieren, zum Beispiel um einen weiteren optischen Sensor in einer kleinen Smartwatch unterzubringen. Bei solchen ultra-kompakten optischen Systemen entsteht fast immer das Problem, dass Lichtstrahlen unter vielen verschiedenen Winkeln auf den Filter treffen, der sie nach ihrer Farbe auftrennen soll. Genau hier helfen unsere neuen „Polariton Filter“, weil sie nahezu winkelunabhängig und mit sehr guter Qualität Licht filtern können.


3. Wie sind Sie auf das Thema gekommen?

Meine Gruppe befasst sich seit vielen Jahren mit der Erforschung von Lasern, die aus organischen Materialien bestehen, beispielsweise mit sogenannten „Polariton-Lasern“. Um deren Eigenschaften zu untersuchen, messen wir häufig die Dispersionsrelation. Vereinfacht gesagt wird hier gemessen, wie viel Licht welcher Farbe ein solcher Laser reflektiert, wenn man ihn unter verschiedenen Winkeln mit weißem Licht beleuchtet. Vor einigen Jahren haben wir festgestellt, dass diese Dispersion unter bestimmten Bedingungen sehr „flach“ wird, die Farbe des reflektierten Lichts also kaum noch vom Einfallswinkel des Lichts abhängt.

Wir haben dann überlegt, ob man diese Eigenschaft technisch nutzen kann. Polariton-Laser selbst sind keine guten optischen Filter. Das einfallende Licht wird meist absorbiert oder reflektiert, und zwar unabhängig von seiner Farbe. Inzwischen können wir diese Strukturen aber so anpassen, dass sie einerseits bestimmte Lichtfarben extrem effizient blockieren, von einer Million Photonen passiert höchstens eines, und gleichzeitig mehr als 95 Prozent des Lichts der gewünschten Farbe durchlassen.


4. Welchen konkreten gesellschaftlichen Impact konnten Sie durch diese Aktivität bisher erreichen?

Mit finanzieller Unterstützung durch den Europäischen Forschungsrat im Rahmen eines ERC Advanced Grants und eines Proof of Concept Grants sowie durch Förderprogramme des Bundes wie GoBio und EXIST-Forschungstransfer können wir an konkreten, gesellschaftlich relevanten Aspekten unserer Erfindung arbeiten.

Zum einen integrieren wir unsere Polariton-Filter mit kostengünstigen, aber leistungsfähigen Kamerachips, wie sie beispielsweise in modernen Smartphones genutzt werden. So möchten wir ein ultra-kompaktes Fluoreszenz-Mikroskop entwickeln, das auch fernab eines Labors biologische Proben etwa auf das Vorhandensein bestimmter Krankheitserreger untersuchen kann.

Parallel arbeiten wir an verbesserten LiDAR Systemen. „LiDAR“ steht für Light Detection and Ranging, ist also eine Laser-basierte Abstandsmessung. Polariton-Filter können helfen, das Sichtfeld solcher Systeme zu vergrößern. Ein autonomes Fahrzeug oder ein Industrieroboter bräuchte dann weniger solcher LiDAR Scanner, um sein gesamtes Umfeld zuverlässig zu erfassen. Das reduziert die Kosten und den Energieverbrauch solcher Systeme und leistet damit einen wichtigen Beitrag zu Produktivität und Sicherheit.