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Holografie: Doppelt hält besser

Neue Technik erzeugt präzise Bilder mithilfe von zwei Frequenzkämmen

Interferenzmuster
Für jede Kammlinie des Frequenzkamms entsteht ein solches Interferenzmuster. Diese werden zu einem Bild rekonstruiert. © MPQ

Schnell und bunt: Eine neue Aufnahmetechnik erlaubt es, 3D-Hologramme in Farbe und vielfacher Ausführung zu aufzunehmen. Dafür werden zwei Frequenzkammgeneratoren kombiniert, die auf einem Kamerasensor miteinander interferieren. Neben der dreidimensionalen Darstellung von Objekten kann diese Technik zukünftig auch für präzise Konzentrationsmessungen von Gasen genutzt werden, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature Photonics“ berichten.

Hologramme, also dreidimensionale Darstellungen von Objekten, sind im Alltag schon recht verbreitet. Man findet einfache Versionen beispielsweise auf Banknoten und Reisepässen, freischwebende und bewegte 3D-Projektionen wie in Star Wars oder Star Trek sind allerdings noch Science-Fiction. Forscher arbeiten aber schon an ersten Varianten solcher Hologramm-Videos. Die Abbildungen konnten bisher mittels Holografie allerdings nur maximal dreifarbig aufgenommen werden.

Zwei kombinierte Frequenzkämme

Ein Forscherteam unter der Leitung von Nathalie Picqué vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat nun eine Methode vorgestellt, mit der sie bunte und präzise 3D-Abbildungen erzeugen können. Für die Bildgebung nutzen sie zwei unterschiedlich ausgerichtete Frequenzkammgeneratoren. Das sind Geräte, die einen Lichtstrahl in einzelne Wellenlängen unterteilen, die dann wie bei einem Kamm nebeneinanderstehen. In einer früheren Arbeit hatte ein Team um Picqué schon einmal zwei kombinierte Frequenzkämme genutzt, um Gase aufzuspüren.

Für die neu entwickelte sogenannte „hyperspektrale digitale Holografie“ nutzten die Forscher laut eigener Aussage nur Geräte, die sie bereits in ihrem Labor stehen hatten. „Der Aufbau erscheint verblüffend einfach. Es werden lediglich zwei Kammgeneratoren mit leicht unterschiedlichen Pulswiederholraten, ein teilweise durchlässiger Strahlteilerspiegel und ein schneller digitaler Kamerasensor ohne Objektiv verwendet“, erklärt Erstautor Edoardo Vicentini.

Versuchsaufbau
So sieht der Aufbau der Holografie-Technik aus. © Vicentini et al / Nature Communications /CC-by-sa 4.0

Bildgebung durch Interferenzmuster

Die beiden Frequenzkämme werden senkrecht zueinander ausgerichtet, der sogenannte Referenzstrahl geht direkt auf den Kamerasensor, der andere trifft erst auf das Messobjekt und wird dann vom teildurchlässigen Spiegel ebenfalls auf den Sensor gelenkt. So entsteht ein Interferenzmuster der beiden Laserstrahlen. Die Aufnahme der Kamera wird anschließend von einem Computer in Stapel von Amplituden- und Phasenhologrammen verarbeitet.

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Aus diesen Stapeln können dann dreidimensionale Darstellungen des Messobjektes rekonstruiert werden. Die Bilder können auch auf einzelne Kammlinien reduziert werden, was eine präzise Analyse ermöglicht. Da ein Frequenzkammgenerator allerdings Millionen von einzelnen Linien erzeugt, können bei der Analyse enorm große Datenmengen anfallen. „Mit einer schnelleren Kamera mit Megapixel-Auflösung kann die Menge der aufgezeichneten Daten jedoch ziemlich groß werden, so dass die Datenverarbeitung zu einer größeren Herausforderung wird“, sagt Piqués Kollege Theodor Hänsch, der 2005 für die Erfindung des Frequenzkamms mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde.

Breites Anwendungsfeld

Neben der Objektrekonstruktion nutzten die Forscher die neue Technik auch, um Gaskonzentrationen zu messen. Hierfür führten sie erst eine direkte Spektroskopie eines Messobjektes – in diesem Fall einer 1-Cent-Münze – durch, um eine Referenz zu erhalten. Anschließend erzeugten sie vor dem Objekt eine Ammoniak-Wolke und führten eine erneute Messung durch. Aus den Amplitudenunterschieden der erfassten Lichtfrequenzen konnten die Wissenschaftler dann Aussagen über die Beschaffenheit des Gases treffen.

Die Forscher erhoffen sich breite Anwendungsbereiche für die hyperspektrale digitale Holografie. „Unsere Technik wird wahrscheinlich neue Grenzen in der abtastfreien Wellenfrontrekonstruktion und der dreidimensionalen Messtechnik erobern. Außerdem wird es spannend sein, ihr Potenzial für die Mikroskopie biologischer Proben zu erforschen“, so Picqué. (Nature Photonics, 2021; doi: 10.1038/s41566-021-00892-x)

Quelle: Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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