Verbundprojekt: Quantum‑enhanced Raman spectroscopy for bioimaging applications (QuRaman) - Teilprojekt: Erforschung des Zusammenhangs zwischen Laserleistung, der mechanischen Gerätekonstruktion, der elektrischen Steuerung und einer softwarebasierten Kompensation von funktionalen Störungen

Abstract

Das Teilvorhaben der Delfi Innovations GmbH (Delfi) im Verbundprojekt QuRaman zielte auf die Entwicklung und Integration zentraler mechanischer, elektronischer und softwareseitiger Infrastruktur für ein quantenverstärktes Raman‑Mikroskop, das in der biomedizinischen Bildgebung eingesetzt werden soll. Im Mittelpunkt stand die Frage, wie sich die fundamentale Schrotrausch‑Grenze in der Raman‑Spektroskopie überwinden lässt, ohne biologische Proben durch eine Erhöhung der Laserleistung zu schädigen. Hierzu wurden im Verbund nicht‑klassische Lichtquellen auf Basis gequenchten Lichts entwickelt und mit stimulierter Raman‑Streuung kombiniert. Aus Sicht von Delfi bestand die Ausgangslage darin, mechanische und elektronische Plattformen zu schaffen, die den gewünschten Quantenvorteil im Realexperiment überhaupt erst technisch zugänglich machen. Dies umfasste die Konstruktion von optomechanischen Gehäusen mit Sub‑Mikrometer‑Positionsgenauigkeit und die Entwicklung eines leistungsfähigen Control‑Boards zur Ansteuerung von Lasern, Aktoren und Sensorik sowie die Integration aller Komponenten in einen funktionsfähigen Prototyp (TRL 5). Aufbauend auf einer gemeinsam mit den Partnern erarbeiteten Anforderungsmatrix wurden Arbeitspakete definiert, die von der Projektkoordination (WP 1) über die Optomechanik (WP 4.1) und die Hard‑/Software (WP 4.2) bis zur Systemintegration (WP 4.3) reichen und in Summe die technischen Voraussetzungen für die im Verbund erzielten 3,6 dB Rauschunterdrückung und die etwa 50‑fache SNR‑Verbesserung schufen. Darüber hinaus liefert der Beitrag von Delfi eine tragfähige technische Basis für die weitere Entwicklung hin zu kliniknahen oder industriellen Anwendungen und stärkt die Rolle des Unternehmens als Integrationspartner für anspruchsvolle Quantentechnologie‑Systeme. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse zu Stabilität, Modularität und Schnittstellendesign bilden einen wichtigen Baustein für zukünftige Entwicklungen im Bereich quantenverstärkter Mess‑ und Bildgebungssysteme. Ferner haben die Erfahrungen und Erkenntnisse aus diesem Projekt bereits dazu geführt, dass Delfi (als Projektführer und Koordinator) zusammen mit weiteren Partnern eine Projektskizze für ein anschließendes F&E-Projekt eingereicht hat. Inhalt des skizzierten Projektes ist eine praxisnahe und medizinisch relevante Anwendung der Erkenntnisse aus QuRaman: eine objektive intraoperative Tumorranddiagnostik durch multimodale Spektroskopie und mathematische Auswertung. Projektziel ist eine echtzeitfähige, intraoperative Diagnostik von Tumorgewebe durch Integration optischer Bildgebung, ML-gestützter Datenanalyse und automatisierter Mechatronik. The subproject of Delfi Innovations GmbH (Delfi) in the QuRaman joint project aimed to develop and integrate central mechanical, electronic, and software infrastructure for a quantum-enhanced Raman microscope to be used in biomedical imaging. The focus was on how to overcome the fundamental shot noise limit in Raman spectroscopy without damaging biological samples by increasing the laser power. To this end, the consortium developed non-classical light sources based on quenched light and combined them with stimulated Raman scattering. From Delfi's perspective, the starting point was to create mechanical and electronic platforms that would make the desired quantum advantage technically accessible in real-world experiments. This included the construction of optomechanical housings with sub-micrometer positioning accuracy and the development of a powerful control board for controlling lasers, actuators, and sensors, as well as the integration of all components into a functional prototype (TRL 5). Based on a requirements matrix developed jointly with the partners, work packages were defined ranging from project coordination (WP 1) to optomechanics (WP 4.1) and hardware/software (WP 4.2) to system integration (WP 4.3), which together created the technical prerequisites for the 3.6 dB noise reduction and approximately 50-fold SNR improvement achieved by the consortium. In addition, Delfi's contribution provides a solid technical basis for further development toward clinical or industrial applications and strengthens the company's role as an integration partner for sophisticated quantum technology systems. The insights gained in the project regarding stability, modularity, and interface design form an important building block for future developments in the field of quantum-enhanced measurement and imaging systems. Furthermore, the experience and insights gained from this project have already led Delfi (as project leader and coordinator) to submit a project outline for a follow-up R&D project together with other partners. The outline project involves a practical and medically relevant application of the findings from QuRaman: objective intraoperative tumor margin diagnostics using multimodal spectroscopy and mathematical evaluation. The project goal is real-time, intraoperative diagnostics of tumor tissue through the integration of optical imaging, ML-supported data analysis, and automated mechatronics.