Hochgeschwindigkeitskamera filmt Lichtpulse

Erst vor wenigen Monaten präsentierten japanische Wissenschaftler der University of Tokyo eine ultraschnelle Kamera, die über vier Billionen Aufnahmen pro Sekunde erreichte. Diesen Geschwindigkeitsrekord können Physiker der Washington University in St. Louis mit 100 Milliarden Bildern pro Sekunde zwar nicht brechen. Doch entwickelten sie eine ultraschnelle Fotografie-Methode, die von der medizinischen Forschung bis hin zur Analyse der Dynamik von Supernovae vielseitig eingesetzt werden könnte.

Lihong Wang und seine Kollegen vom Optical Imaging Laboratory griffen auf die Technologie sogenannter Streak-Kameras zurück. Bei diesen treffen kurze Laserpulse nach einer Reflexion an einem zu untersuchenden Objekt zeitversetzt auf eine Photokathode auf. Dabei fliegen Elektronen heraus, die mit einem Laufzeitunterschied von einem Detektor aufgezeichnet werden. Aus diesen Messdaten lassen sich im Computer Bildinformationen mit zeitlichen Auflösungen im Femtosekunden-Bereich gewinnen. Allerdings lieferte bisher jeder Laserpuls und jede Messung nur einen einzigen Bildpunkt. Für die Berechnung zweidimensionaler Bilder waren wiederholte Messungen an möglichst identischen Objekten nötig.

Genau diesen Nachteil konnten Wang und Kollegen mit ihrer „komprimierten, ultraschnellen Fotografie“ (CUP – compressed ultrafast photography) beseitigen. Mit ihrer optimierten Streak-Kamera gelang es, mit nur einem Laserpuls direkt zweidimensionale Bilder aufzunehmen. Verantwortlich dafür war ein Modul aus gut einer Million winziger Spiegel mit jeweils nur sieben Mikrometern Kantenlänge. Auf diese Mikrospiegel fiel der Laserpuls, nachdem er vom zu untersuchenden Objekt reflektiert wurde. Dabei entstanden zahlreiche weitere Reflexionen, die die Grundlage für das zweidimensionale Bild legten. Ein CCD-Chip wandelte diese Lichtpulse in elektrische Signale um, die nach einer Laufzeitanalyse die Informationen für die im Rechner erstellte, zweidimensionale Aufnahme lieferten.

Eindrucksvoll demonstrierten die Wissenschaftler die hohe Geschwindigkeit ihrer Kamera mit der Beobachtung von Lichtpulsen, die sich unterschiedlich schnell durch Luft und in einem transparenten Kunstharz ausbreiteten. Die Aufnahmen zeigten, dass sich das Licht durch Luft – wie erwartet – fast mit Vakuumlichtgeschwindigkeit ausbreitete und im Kunstharz dagegen ein Drittel langsamer war. In weiteren Versuchen filmten die Forscher das Brechungsverhalten von Lichtpulsen am Übergang zwischen Luft und Kunstharz.

Wang und Kollegen sehen viele Anwendungsmöglichkeiten für ihre ultraschnelle Fotografie. So könnte ihre CUP-Kamera – integriert in Teleskope – detailreiche Schnappschüsse von Supernovae liefern. In Kombination mit Floureszenzmikroskopen könnte man biochemische Reaktionen filmen und die Entwicklung von neuen Wirkstoffen erleichtern. Neue Impulse für die Entwicklung von optischen Tarnkappen erwartet gar Brian W. Pogue vom Dartmouth College in New Hampshire, der die große Bedeutung dieser Entwicklung in einem begleitenden Kommentar hervorhebt.

Jan Oliver Löfken

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