Ultraschnelle Echtzeit-Tomographie

Computertomographien sind nicht nur für die Medizin, sondern auch in den Materialwissenschaften, in Physik und Geologie zu einem wichtigen Hilfsmittel geworden. In den Anfangstagen nach ihrer Einführung 1968 benötigten tomographische Aufnahmen noch Tage, bis schließlich das Bild stand. Mittlerweile erreichen Tomographen in der Medizin, vor allem in der Kardiologie, bis zu zehn Bilder pro Sekunde, wobei die limitierenden Faktoren von den mechanischen Komponenten herrühren. Ohne diese Einschränkungen und mit nichtmechanischen Scan-Verfahren erzielt man bis zu 10.000 Bilder pro Sekunde. Bei schnell bewegten Objekten, die piko- oder femtosekundenschnelles Abtasten erfordern, stoßen herkömmliche Verfahren aber an ihre Grenzen.

Abhilfe könnte hier das spektrale Multiplexing schaffen, wie es kalifornische Forscher nun erstmals eingesetzt haben. Der belichtende Laserstrahl wird über ein Gitter vor dem Objekt in verschiedene Wellenlängen aufgespaltet, auf das Objekt gelenkt und schließlich in einem Spektrometer analysiert. In den Bilddaten sind durch das Multiplexing genug Informationen enthalten, um das Objekt anschließend rekonstruieren zu können. Damit konnten die Forscher mit nur einem einzigen kurzen Lichtimpuls auch ultraschnelle Bewegungen tomographisch aufnehmen. Sie testeten ihr Verfahren an laserinduzierten Plasmafäden und konnten deren Strukturen über einen breiten Winkelbereich auflösen.

Zur Belichtung benutzten die Forscher einen gepulsten Breitbandlaser mit einer Pulsrate von einem Kilohertz und einer mittleren Wellenlänge von 805 Nanometern. Die Halbwertsbreite lag bei 21 Nanometern, der Strahldurchmesser bei fünf Millimetern. Mit Strahlteilern trennten sie den Laserstrahl in eine belichtende Komponente und zwei Pumpstrahlen, die die kurzlebigen Plasmafäden erzeugten.

Den Belichtungsstrahl lenkten sie über ein Liniengitter mit 300 Linien pro Millimeter, das den Laserpuls auffächerte. Linsen fokussierten den Strahl auf die Untersuchungsebene und dann weiter zum Spektrometer. Aufgrund der gewählten Versuchsgeometrie konnten die Forscher eine zeitliche Auflösung von wenigen Pikosekunden erreichen. Mit Laserlicht kürzerer Wellenlänge und kleinerem Aufbau sowie kleineren Proben ließen sich nach ihren Angaben aber auch Auflösungen im Femtosekundenbereich erzielen.

Die untersuchten laserinduzierten Plasmafäden sind ein wichtiger Test, denn tomographische Verfahren können hier wertvolle Analysemethoden liefern. Das Verständnis solcher Plasmafäden spielt etwa für die Stabilität und Leistung von Laser-Plasma-Beschleunigern eine große Rolle. Mit ihrer Methode konnten die Forscher sowohl einzelne Plasmafäden sichtbar machen also auch zwei dicht hintereinander liegende Fäden auflösen.

Die beiden Plasmafäden lagen kurz hinter der Brennebene des spektral aufgefächerten Laserstrahls. Dabei überlappten sie sich in transversaler Richtung. Der longitudinale Abstand – also in Strahlrichtung – betrug rund 360 Mikrometer, wie die Forscher über drei verschiedene Methoden ermitteln konnten. Die Streuung der drei Messungen lag bei nur 10 Mikrometern, was für die Güte der Analysemethoden spricht. Den transversalen Abstand von 14 Mikrometern konnten sie ebenfalls aus ihren Daten ablesen.

Mit der neuen Technik verbinden die Forscher große Hoffnungen, da sie auf einem sehr allgemeinen Konzept basiert und sich in vielerlei Hinsicht weiterentwickeln und optimieren lässt. Durch einen größeren Einstrahlungswinkel und bessere Optiken ließe sich die Auflösung verbessern. Außerdem steht das Verfahren auch unterschiedlichen Wellenlängen offen, von Radiowellen bis hin zur Röntgenstrahlung. Im Prinzip könnte man es auch mit Elektronen oder Ultraschall nutzen.

Eine besonders interessante Möglichkeit sehen die Forscher darin, das Verfahren dahingehend weiter zu entwickeln, um durch Wände hindurch Tomographie zu betreiben. Da stark streuende Oberflächen die Trajektorien von Strahlen zufällig verteilen, wäre es dank der spektral kodierten Ortsinformation möglich, trotzdem hinter eine solche Wand zu sehen. Die Brennebene muss dabei auf der Wand oder in der Objektebene liegen. Für im entsprechenden Wellenlängenbereich durchlässige, aber streuende Wände könnte sich damit die Möglichkeit eröffnen, hinter ihnen verborgene Objekte zu erkennen.

Dirk Eidemüller

OD