Video der Woche: Ein Lichtpuls - gefilmt



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 einer neuen High-Speed-Kameratechnik. Diese von US-Forschern entwickelte Technik ermöglicht es erstmals zweidimensionale Aufnahmen mit einer Bildrate von bis zu 100 Milliarden Bildern pro Sekunde zu erzeugen. Das ist schnell genug, um sogar den Flug des Lichtes selbst einzufangen.

Den Anfang machte ein galoppierendes Pferd: Im Jahr 1878 demonstrierte der Fotograf Eadweard Muybridge an ihm erstmals die Technik schneller Serienfotos. Nur wenige Jahre später entstand die erste Highspeed- Aufnahme einer Gewehrkugel. "Das Einfangen von kurzen, vorübergehenden Ereignissen mit hoher Aufnahmegeschwindigkeit ist schon lange ein Ziel der Fotografie", erklären Liang Gao und seine Kollegen von der Washington University in St. Louis. Die Erfindung digitaler Bildsensoren auf Basis der CMOS- und CCD-Technologie hat seither die High-Speed-Fotografie revolutioniert, Bildraten von bis zu zehn Millionen Bildern pro Sekunde sind inzwischen möglich. Allerdings kommen diese Technologien damit auch schon an ihre Grenzen, weil ihre Geschwindigkeit durch die Speicherung auf dem Chip und das Tempo des elektronischen Auslesens der Informationen begrenzt wird, wie die Forscher erklären. Extrem schnelle Ereignisse, wie beispielsweise Laserpulse, die Entwicklung einer Explosion oder der Kollaps eines sterbenden Sterns lassen sich damit nicht im Detail abbilden.

Streak-Kamera "gepimpt"

Dass aber könnte sich künftig ändern. Denn Gao und seine Kollegen haben nun erstmals eine Fotografietechnik entwickelt, die zweidimensionale Aufnahmen von bis zu 100 Milliarden Bildern pro Sekunde erzeugen kann – und dies ohne die Hilfe von Röntgenstrahlen, Lasern oder anderen speziellen Lichtquellen. Möglich wird dies durch eine Weiterentwicklung der sogenannten Streak-Kamera.  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 gewichtigen 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.

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.

Lichtpulse im Flug eingefangen

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. Und dieser Unterschied war in den Aufnahmen der CUP-Kamera deutlich zu erkennen: Ein Lichtfleck lag weiter vorne als der andere. Diese Aufnahmen erstellten sie 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.

"Zum ersten Mal können wir Menschen damit sogar Lichtpulse im Flug beobachten", sagt Studienleiter Lihong Wang. "Damit treten wir in eine Ära ein, die uns ganz neue Einsichten eröffnet." 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.

Reload-Capcha neu laden Text der identifiziert werden soll

Bitte geben Sie zusätzlich noch den Sicherheitscode ein!

Rubriken

 


Harte Nuss
Rätsel: Berühmte Entdecker gesucht

 

Der Buchtipp

Sie lieben das Meer, sie respektieren seine Geschöpfe, sie sehen sich als Teil der Natur – und sie sind Jäger und wollen töten. Ihre Mission ist, einen riesigen Eishai zu fangen! Passt das zusammen?

Zu allen Buchtipps


Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der Konradin Mediengruppe