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Freitag, 30.09.2016
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Neuartige High-Speed-Kamera filmt Lichtpuls

Zweidimensionale Aufnahmen mit bis zu 100 Milliarden Bildern pro Sekunde werden möglich

So schnell wie das Licht: US-Forscher haben eine Kamera konstruiert, die sogar einzelne Lichtpulse im Flug aufzeichnen kann. Mit der neuen Ultra-High-Speed-Technik lassen sich zweidimensionale Aufnahmen mit einer Bildrate von bis zu 100 Milliarden Bildern pro Sekunde erzeugen. Damit trete man in eine Ära ein, die ganz neue Einsichten eröffne, so die Forscher im Fachmagazin "Nature".

Von der neuen CUP-Kamera aufgenommen: Ein einzelner Lichtpuls wird von einem Spiegel reflektiert.

Ein heller Fleck nähert sich einer Platte, prallt ab und fliegt wabernd in einem schrägen Winkel wieder davon. Nein, dieses Video zeigt nicht den Flug eines Gummiballs, sondern einen einzelnen Lichtpuls – aufgezeichnet von der neuen High-Speed-Kameratechnik. Liang Gao und seine Kollegen von der Washington University in St. Louis haben sie auf Basis der sogenannten Streak-Kamera entwickelt.

Streak-Kamera: schnell, aber eindimensional


Bei dieser Methode werden zeitlich nacheinander eintreffende Lichtpulse in ein räumliches Muster von Elektronen umgewandelt. Dieses Muster spiegelt den zeitlichen Verlauf des Prozesses wieder und ermöglicht es so, beispielsweise die Ausbreitung von Licht aufzuzeichnen.

Doch die Streak-Kameras haben einen erheblichen Nachteil, wie die Forscher erklären: Sie sind ein eindimensionales Aufnahmegerät. Zweidimensionale ultrakurze Ereignisse lassen sich damit nur einfangen, in dem ein wiederholter Prozess quasi Zeile für Zeile abgetastet wird. "In Fällen, in denen sich ein Ereignis nur schwer oder gar nicht wiederholen lässt, wie beispielsweise bei optischen Turbulenzen, Nuklearexplosionen oder einer Supernova, eignet sich diese Methode aber nicht", so Gao und seine Kollegen.


Dieses Schema zeigt den Aufbau der CUP-Kamera

Dieses Schema zeigt den Aufbau der CUP-Kamera

Streak mit zweiter Dimension


Für ihre Technik der "Compressed Ultrafast Photography" (CUP) ergänzten die Forscher eine Streak-Kamera durch einem vorgeschalteten optischen Apparat und einen nachgeschalteten Computeralgorithmus zur Bildauswertung. Ein System von Linsen leitet dabei das Licht vom Objekt auf eine Art digitalen Spiegel. Dieser wandelt das Signal in ein quasizufälliges binäres Muster um und wirft dieses wieder zurück.

Ein Strahlteiler wirft nun dieses Muster auf den fünf Millimeter weit offenen Schlitz einer Streak-Kamera. Dort wird das Muster durch ein elektrisches Feld nach Ankunftszeit zerlegt und auf dem CCD-Bildsensor gespeichert. Ein spezieller Algorithmus kann nun aus diesen Informationen das Abgebildete rekonstruieren.

Lichtpuls in Luft und Kunstharz


Dass das Ganze funktioniert, testeten die Forscher unter anderem, indem sie mit der CUP-Kamera zwei gleichzeitig ausgesendete Laserpulse aufnahmen, von denen der eine durch Luft, der andere durch einen Kunstharzblock strahlte. "Wie erwartet waren wegen des unterschiedlichen refraktiven Index beider Materialien die Photonen in der Luft schneller als im Kunstharz", berichten Gao und seine Kollegen. In den Aufnahmen lag gut sichtbar ein Lichtfleck weiter vorne als der andere.

Die Bildrate der Kamera ist hoch genug, um die Bewegung eines einzelnen Lichtpulses aufzuzeichnen

Die Bildrate der Kamera ist hoch genug, um die Bewegung eines einzelnen Lichtpulses aufzuzeichnen

Diese Aufnahmen erstellten die Forscher mit einer zeitlichen Auflösung der Kamera von 10 Pikosekunden - dies entspricht einer Bildrate von rund 100 Milliarden Bildern pro Sekunde. In weiteren Tests fotografierten die Forscher die Reflexion eines einzelnen Laserpulses an einem Spiegel und die Brechung eines Pulses beim Eintritt von der Luft in Kunstharz.

Völlig neue Einblicke möglich


"Damit treten wir in eine Ära ein, die uns ganz neue Einsichten eröffnet", sagt Studienleiter Lihong Wang. Die Forscher sind sich sicher, dass diese Kameratechnik gerade in der Wissenschaft neue Entdeckungen ermöglichen wird. Kombiniert man die CUP-Kamera mit Mikroskopen oder Teleskopen, dann lassen sich ultraschnelle Ereignisse in Maßstäben von der Zellorganelle bis zu Galaxien einfangen, wie sie erklären.

"Wenn wir diese Technik beispielsweise mit dem Hubble-Weltraumteleskop verbinden, dann bekommen wir die hohe räumliche Auflösung von Hubble und die hohe zeitliche Auflösung von CUP – mit dieser Kombination muss man einfach Neues entdecken", so Wang. (Nature, 2014; doi: 10.1038/nature14005)
(Nature, 04.12.2014 - NPO)
 
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