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.
