Ghost Imaging für extrem schnelle Prozesse

Ghost imaging – die Aufnahme von „Geisterbildern“ - bezeichnet ein noch sehr junges Verfahren, um trotz störender Streu­effekte scharfe Aufnahmen eines Objekts mit hoher räum­licher Auf­lösung zu erhalten. Einer finnisch-franzö­sischen Arbeits­gruppe ist es nun gelungen, dieses ver­blüffende Prinzip auch für die Analyse schneller Puls­folgen zu verwenden. Ihre Experi­mente könnten zu besseren Nach­weis­ver­fahren etwa bei der optischen Daten­über­tragung oder der Fern­erkundung via Satellit führen.

Basis des Ghost Imaging ist die Aufspaltung eines Laser­strahls in zwei unab­hängige Licht­pulse. Nur einer dieser Pulse trifft auf das zu analy­sierende Objekt. Mit einem einfachen Detektor kann er nach der Wechsel­wirkung trotz störender Streu­effekte aufge­zeichnet werden. Doch trägt er danach nicht mehr die Infor­mation für ein räumlich wie zeit­lich hoch aufge­löstes Mess­ergebnis. Erst nach einer Kopplung mit dem zuvor abge­spaltenen zweiten Puls lässt sich die räumliche und zeit­liche Struktur auf den eigent­lichen Mess­puls aufprägen.

Piotr Ryczkowski und seine Kollegen von der University of Technology im finnischen Tampere wandten dieses Prinzip nun zur Analyse einer schnellen Abfolge optischer Pulse an. Einen Laser­puls mit einer Wellen­länge von 1547 Nano­metern schickten sie über Glas­fasern durch einen Strahl­teiler. Das erste Signal schwankte in seiner Intensität zufällig in Abständen von durch­schnittlich 13 Piko­sekunden. Ohne auf das zu beobachtende Objekt – eine schnelle Abfolge von Pulsen aus einem elektro-optischen Modulator – zu treffen, wurde dieses Signal mit einem schnell reagie­renden Licht­sensor aufge­zeichnet. Das zweite Signal dagegen traf auf die zu analy­sierende Puls­frequenz. Nach der Wechsel­wirkung zwischen Signal und Puls­frequenz wurde es von einem mit etwa fünf Nano­sekunden nur langsam reagie­renden Detektor registriert.

Der Vorteil dabei: Auch bei störender Lichtstreuung konnte der langsame Detektor immer noch Daten oberhalb eines starken Rauschens nach­weisen. Diese Daten erlaubten aber keine zeit­liche Auf­lösung der optischen Impulse aus dem Puls­generator. Daher führten Ryczkowski und sein Team beide Signale wieder mit einem speziellen elektro-optischen Aufbau zusammen. So ließ sich die Zeit­struktur des ersten Signals auf das ungenaue zweite Signal auf­prägen. Die Signal­kombination gab den exakten Verlauf der zu analy­­sierenden Abfolge der optischen Impulse mit einer Genauigkeit von etwa fünfzig Piko­sekunden wieder.

Zeitlich hoch aufgelöste Aufnahmen können zwar auch allein mit schnell getak­teten Laser­pulsen etwa mit der Femto­sekunden-Spektro­skopie gewonnen werden. Doch bei einer stark licht­streuenden Umgebung und starkem Unter­grund­rauschen scheitern diese Nachweis­verfahren häufig. Das Ghost Imaging dagegen ermöglicht auch bei widrigen Bedingungen zuver­lässige und extrem genaue Messungen mit hoher zeit­licher Auflösung.

Jan Oliver Löfken

RK