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Donnerstag, 08.12.2016
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Vier Billionen Bilder pro Sekunde

Neuartige Highspeed-Kamera filmt tausendfach schneller als herkömmliche Modelle

Filmen mit Femtosekunden-Pulsen: Japanische Forscher haben eine Highspeed-Kamera entwickelt, die tausendmal schneller als die herkömmlichen ist. Sie kann Filme mit einer zeitlichen Auflösung von 4,4 Billionen Bildern pro Sekunde machen – und das bei einer Bildgröße von immerhin 450x450 Pixeln. Selbst ultraschnelle Prozesse wie die Vibrationen von Kristallgittern oder die Explosion eines per Laser verdampften Oberfläche lassen sich damit einfangen.
Blick auf einen Teil der STAMP-Kamera

Blick auf einen Teil der STAMP-Kamera

Viele Prozesse im Mikro- und Makrokosmos sind für unsere Augen viel zu schnell. Um sie sichtbar zu machen, müssen wir sie mit Highspeed-Kameras filmen. Doch selbst ihre zeitliche Auflösung ist bisher relativ limitiert – in erster Linie durch die Verarbeitungsgeschwindigkeit ihrer mechanischen und elektrischen Komponenten. 2014 hatten Forscher bereits eine Kamera vorgestellt, die diese Probleme durch vorwiegend optischen Bauteile umgeht. Sie erreichte immerhin bereits bis zu 100 Milliarden Bilder pro Sekunde.

Femtosekunden-Pulse aufgespreizt


Keiichi Nakagawa von der Universität Tokio und seine Kollegen haben nun eine weitere Variante dieser ultraschnellen Highspeed-Kameras entwickelt, die sogenannte Sequentially Timed All-optical Mapping Photography (STAMP). Die Kamera nutzt statt normalen Lichts die ultrakurzen Pulse eines Femtosekunden-Lasers.

Diese dehnt sie in einem optischen Instrument, dem Temporal Mapping Device (TMD) in Unterpulse verschiedener Spektralfarben auf. Die zerlegten Pulse treffen dann das aufzunehmende Objekt in einer Salve von schnell aufeinanderfolgenden Farbblitzen. Ein weiteres optisches Instrument spreizt die nun bildtragenden Farbpulse räumlich auf und schickt sie auf einen Bildsensor. Dieser erzeugt aus jedem Farbpuls ein Einzelbild.


Die Funktionsweise der STAMP-Kamera: Ein Laserpuls wird erst zeitlich, dann räumlich aufgespreizt.

Die Funktionsweise der STAMP-Kamera: Ein Laserpuls wird erst zeitlich, dann räumlich aufgespreizt.

4,4 Billionen Einzelbilder pro Sekunde


Aus dieser Serie von Aufnahmen entsteht ein Video, das eine zeitliche Auflösung von bis zu 4,4 Billionen Frames pro Sekunde besitzt. In einem ersten Test filmten die Forscher damit beispielsweise die Plasmawolke, die beim Auftreffen eines energiereichen Schneidelasers auf eine Glasoberfläche. "Der Film zeigt deutlich die Entstehung und Ausbreitung einer Plasmawolke, die durch die Laserbestrahlung des Glases erzeugt wird", so die Forscher.

Als die Wissenschaftler ihre Kamera im August 2014 erstmals vorstellten, konnte sie nur maximal sechs aufeinanderfolgende Bilder erzeugen – ihr Temporal Mapping Device konnte die Laserpulse nicht in mehr "Scheibchen" zerlegen. Jetzt haben Nakagawa und seine Kollegen die Kamera so weiterentwickelt, dass sie bereits 25 Aufnahmen in Serie machen kann. Sie halten es aber für durchaus machbar, mit der jetzigen Technologie sogar mehr als 100 Serienaufnahmen zu erreichen.

Funktioniert auch in anderen Wellenlängen


"Diese Technologie hat großes Potenzial, um eine weite Spanne von bisher unerforschten komplexen und ultraschnellen Phänomen zu ergründen", sagt Nakagawa. So ließe sich der Moment der Zündung bei der Laserfusion einfangen, der Phasenübergang von Materialien oder das komplexe Geschehen in einem vibrierenden Kristallgitter.

"STAMP ist zudem nicht auf sichtbare und nahinfrarote Wellenlängen beschränkt: Es kann auf andere elektromagnetische Bereiche wie Infrarot, Terahertz oder Röntgenstrahlung erweitert werden", erklären die Forscher. Einzige Voraussetzung ist, dass es die entsprechenden optischen Elemente zur Dehnung und räumlichen Spreizung der Strahlenpulse gibt. (Nature Photonics, 2014; doi: 10.1038/NPHOTON.2014.163)
(The Optical Society, 30.04.2015 - NPO)
 
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