"T-CUP"-Technik macht zehn Billionen hochaufgelöster Aufnahmen pro Sekunde Schnellste Kamera der Welt filmt Laserpuls - scinexx | Das Wissensmagazin
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"T-CUP"-Technik macht zehn Billionen hochaufgelöster Aufnahmen pro Sekunde

Schnellste Kamera der Welt filmt Laserpuls

Komplexer Aufbau: Komponenten der ultraschnellen T-CUP-Kamera © INRS

Schneller als ein Laserpuls: Forscher haben eine neue High-Speed-Kamera entwickelt, die selbst den Flug eines Laserpulses in bisher unerreichter Auflösung einfangen kann. Mit zehn Billionen Frames pro Sekunde stellt die T-CUP-Kamera einen neuen Rekord auf. Gleichzeitig erlaubt sie es trotz dieser Geschwindigkeit, mehr Details abzubilden, wie die Forscher berichten. Damit könnte diese Technik dabei helfen, fundamentale Wechselwirkungen von Licht und Materie, aber auch schnelle biologische Prozesse zu erforschen.

In der Natur gibt es viele Ereignisse, die extrem schnell ablaufen und gleichzeitig sehr klein sind – eine für Kameras schwer zu erfassende Kombination. In den letzten Jahren haben Forscher daher verschiedene Ansätze entwickelt, um selbst Prozesse im Femtosekunden-Maßstab zu filmen oder sogar die einen Lichtpuls und den „Überschall“-Kegel eines Laserpulses einzufangen.

„CUP“-Technik weiterentwickelt

Basis einiger dieser ultraschnellen Kameras ist die sogenannte „Compressed Ultrafast Photography“ (CUP). Eine solche CUP-Kamera nutzt ein System von Spiegeln und Strahlteilern, um aus zeitlich nacheinander eintreffenden Lichtsignalen ein für einen Bildsensor registrierbares räumliches Muster zu erzeugen. Eine Aufnahme genügt daher, um die Bewegung eines Laserpulses einzufangen.

Jetzt haben Jinyang Liang vom California Institute of Technology (Caltech) und seine Kollegen die CUP-Technik so weiterentwickelt, dass sie noch schnellere und vor allem noch detailliertere Aufnahmen erstellen kann. Dafür kombinierten sie die der CUP-Technik zugrundeliegende Streak-Kamera mit einer weiteren Kamera sowie mit einer neuen Methode der Datenverarbeitung.

„Wir haben dafür eine weitere Kamera ergänzt, die ein statisches Bild einfängt“, erklärt Liangs Kollege Lihong Wang. „Kombiniert mit der Femtosekunden-Streak-Kamera können wir dann eine sogenannte Radon-Transformation einsetzen, um hochauflösende, ultraschnelle Bilder zu bekommen.“

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Aufnahme eines Femtosekunden-Laserpulses mit 2,5 Billionen Frames pro Sekunde © Jinyang Liang, Liren Zhu und Lihong V. Wang

Laserpuls in allen Details

Die T-CUP getaufte Kamera kann zehn Billionen Frames pro Sekunde einfangen, wie die Forscher berichten – ein neuer Rekord. Sie ist schnell genug, um den Puls eines Femtosekunden-Lasers in allen Einzelheiten im Flug abzubilden. Im Experiment richteten die Forscher ihre T-Cup-Kamera seitlich auf einen 800 Nanometer-Laser, der Pulse von 50 Femtosekunden Dauer abschoss.

„Die T-CUP- Aufnahme enthüllte die gesamte Entwicklung dieses sich fortbewegenden Pulses“, berichten Liang und seine Kollegen. „Danke eines Frame-intervalls von 0,4 Pikosekunden zeigte T-CUP deutlich die Fluktuation der Laserintensität, die Breitenkompression und die strukturellen Veränderungen im Laufe des zeitlichen Fokussierungsprozesses.“

Es geht noch schneller

„Das ist schon ein Erfolg für sich“, sagt Liang. „Aber wir sehen schon jetzt die Möglichkeit, die Geschwindigkeit der Kamera auf bis zu eine Billiarde Frames pro Sekunde zu erhöhen. „Wie die Forscher erklären, könnten solche Kameras dazu beitragen, fundamentale Wechselwirkungen von Licht und Materie einzufangen.

Doch auch für die aktuelle T-CUP-Kamera gibt es vielfältige Anwendungen, wie die Forscher erklären. Weil die Kamera nur eine einzige Aufnahme benötigt, um zeitlich hochaufgelöste Ablaufsequenzen abzubilden, eignet sie sich besonders gut für die Erforschung schneller Prozesse in biologischen Geweben und Zellen. Aber auch für die Charakterisierung von optischen Wellen in der Photonik, der Laser-Mikroskopie oder der Materialforschung lässt sie sich einsetzen. (Light: Science & Applications, 2018; doi: 10.1038/s41377-018-0044-7)

(Institut national de la recherche scientifique – INRS, 15.10.2018 – NPO)

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