20.09.2018

Gespenstische Abbildung mit Elektronen

Ghost Imaging ließ sich erstmals auch mit einem Elektronenstrahl durchführen.

Das Ghost Imaging ist eine neue und unge­wöhnliche Abbildungs­methode. Sie macht es möglich, mit Hilfe der Koinzidenz von Photonen ein Objekt darzu­stellen. Das Interes­sante dabei ist, dass man zwei Detektoren benutzt und die Korre­lationen der Signale dieser beiden Detektoren zur Rekon­struktion des Bildes nutzt, wobei einer der Detektoren nur ein einziges Pixel benötigt und der andere Multi­pixel-Detektor das Objekt gar nicht „sehen“ muss. Dadurch lassen sich etwa Umrisse von Objekten darstellen, wobei man nur geringe Beleuchtungs­intensitäten benötigt. Das Ghost Imaging ist zwar techno­logisch anspruchs­voll, besitzt aber noch eine Reihe anderer Vorzüge. So ermöglichen es ver­schiedene Techniken des Ghost Imaging, etwa auch bei störenden Streu­effekten ein Objekt scharf abzubilden oder eine hohe zeitliche Auflösung bei zugleich sehr genauer Messung zu erreichen. Dabei gibt es sowohl Quanten­verfahren, die mit ver­schränkten Photonen arbeiten, als auch klassisch-optische, die auf korre­lierten kohärenten Licht­strahlen beruhen.

Abb.: Aufbau des Experiment, bei dem ein von links oben kommender ultrakurzer Laserpuls (violett) auf einen digitalen Mikrospiegel trifft und dann auf eine Kathode abgebildet wird, deren Elektronenstrahl das Objekt beleuchtet. (Bild: G. Stewart, SLAC)

Die Tatsache, dass Ghost Imaging kurze Beleuchtungs­dauern und niedrige Beleuchtungs­stärken zulässt, macht es neben Anwen­dungen im optischen Bereich auch für Unter­suchungen bei anderen Wellen­längen interessant. Sowohl die Elektronen­mikroskopie als auch Röntgen­techniken haben schließlich häufig mit dem Problem zu kämpfen, dass die benö­tigten Beleuchtungs­intensitäten negative Effekte auf die Probe zeigen. Insbe­sondere bei bio­logischen Proben beziehungs­weise Biomo­lekülen ist schnell der Punkt erreicht, an dem die Strahlen­dosis zu hoch wird und die Probe geschädigt wird. Bei Röntgen­strahlen und sogar bei Atomstrahlen war es bereits gelungen, Ghost Imaging zu realisieren. Ein Team von Wissen­schaftlern des SLAC National Acce­lerator Labora­tory im kali­fornischen Menlo Park hat es nun in Zusammen­arbeit mit den Univer­sitäten Los Angeles und Stanford geschafft, eine neue Abbildungs­methode zu entwickeln, bei der erstmalig Elektronen­strahlen für das Ghost Imaging zum Einsatz kommen.

Der Trick bei der neuen Methode liegt darin, dass die Forscher struk­turierte Beleuchtung bei der Erzeugung des hochrela­tivistischen Elektronen­strahls einsetzen. „Wir kontrol­lieren die Form des Elektronen­strahls, indem wir die Form des Laserpuls gestalten, der die Elektronen erzeugt“, sagt Daniel Ratner vom SLAC National Acce­lerator Labo­ratory. Hierzu schickten die Forscher zunächst ultra­kurze Laser­pulse von knapp unter einer Pikosekunde Pulslänge und mit einer Wellen­länge von 266 Nanometern auf einen digitalen Mikro­spiegel, der diesen Laserpulsen computer­gesteuerte Muster aufprägen kann. Da es solche Modu­latoren zwar für den optischen, nicht aber für den UV-Bereich gibt, mussten die Forscher hier auf eigene Ent­wicklungen zurückgreifen.

Der solcher­maßen struk­turierte Laserpuls traf dann über ein Beugungs­gitter, das die Pulsfront wieder gerade rückte, auf die Elektronen­kathode. Dabei erreichte aufgrund der Verluste im Strahlgang nur fünf Prozent der ursprüng­lichen UV-Strahlung die Kathode. Die abge­strahlten Elektronen mit einer Energie von 3,2 Mega­elektronen­volt durchflogen einen fokus­sierenden Magneten, um schließlich das Target zu beleuchten und dann auf einen Ein-Pixel-Detektor zu treffen, wie er für Ghost Imaging üblich ist.

Auf einen Multi-Pixel-Detektor konnten die Wissen­schaftler so verzichten. Dank der struk­turierten Beleuchtung ließ sich das vom Elektronen­strahl durch­leuchtete Objekt im Computer rekon­struieren. Auf diese Weise konnten die Wissen­schaftler das Problem umgehen, das bislang Ghost Imaging mit Elektronen­strahlen betraf: Im Gegensatz zu Licht gibt es bislang kein geeig­netes Verfahren, mit dem sich Elektronen­strahlen bei passenden Energien in kohärente Teil­strahlen aufzweigen lassen.

Dabei probierten die Forscher unter­schiedliche Beleuchtungs­muster aus. Einmal versuchten sie es mit einem Elektronen­raster, bei dem sich hundert verschiedene Muster aus zehn mal zehn Pixel ergaben. Das andere Mal setzten die Wissen­schaftler eine Multi­pixel-Maske mit zufälligen Mustern ein, die aus einem Gitter von zwanzig mal zwanzig Pixeln bestand.

Bei diesen ersten Versuchen zum elektronen­basierten Ghost Imaging sind zwar die Bildschärfe und die Auflösung noch deutlich opti­mierbar. Mit einem kom­plexeren Linsen­system sollten diese Probleme aber in den Griff zu bekommen sein. Solches computergestütztes Ghost Imaging ist auch nicht auf Elektronen beschränkt. Die neue Technik lässt sich im Prinzip auf andere Typen von Teilchen­quellen übertragen, die mittels Laser­pulsen beschleunigt werden können. Hierzu zählen sowohl Plasma­quellen und Ionen als auch laser­getriebene Neutronen. Man könnte sogar über die Erzeugung hoher Har­monischer oder inverse Compton-Streuung hochener­getische Photonen auf diese Weise einsetzen.

Man darf jedenfalls gespannt bleiben, in welchen Bereichen die neue Technik Einzug halten wird. Der Einsatz von struk­turiertem, elektronen­basiertem Ghost Imaging mit Energien im Bereich von einigen Mega­elektronen­volt könnte etwa da neue Möglich­keiten eröffnen, wo es wie bei spektro­skopischen Aufgaben etwa keine Pixel-Detektoren gibt oder wo die Geometrie des experi­mentellen Aufbaus keine herkömm­liche Abbildung erlaubt.

Dirk Eidemüller

JOL

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