Laser und – Action!

US-Forscher haben eine Spezialkamera konstruiert, die 600 Milliarden Einzelbilder pro Sekunde aufzeichnen kann – und damit zum ersten Mal die Bewegung eines Laserpulses sichtbar macht.

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US-Forscher haben eine Spezialkamera konstruiert, die 600 Milliarden Einzelbilder pro Sekunde aufzeichnen kann – und damit zum ersten Mal die Bewegung eines Laserpulses sichtbar macht.

Sehen, wie sich Laserpulse ausbreiten, das ging bisher nur in den Trickwelten des Films. Für herkömmliche Kameras, geschweige denn das menschliche Auge, sind sie zu schnell. Doch nun haben Wissenschaftler am MIT Media Lab eine Spezialkamera konstruiert, die 600 Milliarden Einzelbilder („Frames“) pro Sekunde aufzeichnen kann – und damit zum ersten Mal die Bewegung eines Laserpulses sichtbar macht.

Entwickelt wurde das Gerät, das bislang noch eine Labormaschine ist, von Ramesh Raskar und seinen Kollegen. Es zeigt, was passiert, wenn ein Laserpuls von 50 Femtosekunden Länge (50 Billiardstel Sekunden) etwa auf eine Tomate trifft oder durch eine Cola-Flasche hindurchgeht. Die Größe der Einzelbilder beträgt ungefähr 500 mal 600 Pixel.

Die schnellsten wissenschaftlichen Apparate schaffen Bildraten von einigen Millionen Frames pro Sekunde. Sie funktionieren ähnlich wie handelsübliche Digitalkameras: Ein Lichtsensor wandelt einfallendes Licht in digitale Daten um, die gespeichert werden.

Die neue MIT-Kamera sei anders aufgebaut, sagt Andreas Velten, der das Gerät mitentwickelt hat. Das liege daran, dass die Reaktionszeit von elektronischen Systemen auf 500 Picosekunden (500 Billionstel Sekunden) begrenzt sei, weil sich die elektronischen Signale nicht beliebig schnell durch die Leiterbahnen bewegen können. „Unsere Verschlusszeit liegt bei unter zwei Picosekunden, weil wir eine Streak-Kamera benutzen.“ Zum Vergleich: Die derzeit schnellste Kamera der Welt hat eine Verschlusszeit von 163 Nanosekunden – fast 20.000 Mal länger als die des MIT-Geräts.

Eine Streak-Kamera arbeitet nicht mit den üblichen Lichtsensoren. In ihr treffen Photonen auf eine Elektrode, aus der sie Elektronen herausschlagen. Weil das elektrische Feld, das von der Elektrode ausgeht, zeitlich veränderlich ist, werden die freien Elektronen unterschiedlich stark beschleunigt und treffen an verschiedenen Punkten auf einen Detektorschirm – ähnlich wie beim Kathodenstrahl einer Fernsehröhre. Aus der jeweiligen Ablenkung eines Elektrons lässt sich auf den Zeitpunkt schließen, an dem das dazugehörige Photon die Elektrode getroffen hat. Es entsteht so zunächst kein räumliches, sondern ein zeitliches Abbild des Lichteinfalls.

Weil damit nur zeilenartige Ausschnitte einer Szene zu erfassen sind, verwendet das MIT-Gerät zwei Spiegel, um die Kamera nacheinander auf verschiedene Ausschnitte auszurichten. Zusammengenommen ergeben dann alle Zeilen eine flächige Abbildung . Die Elektronenmuster, die diese Zeilenaufnahmen auf dem Detektorschirm hinterlassen, werden hierzu von einer normalen Digitalkamera aufgenommen und per Software in die eigentliche räumliche Abbildung umgerechnet.

Die ersten Videos, die das MIT-Team aufgenommen hat, zeigen allerdings nicht die Fortbewegung eines einzelnen Laserpulses. ,. Die Bildsequenz enthält vielmehr Schnappschüsse vieler identischer Pulse in verschiedenen Stadien der Ausbreitung, wenn sie von Objekten abgelenkt oder reflektiert werden. „Um ein Bild oder ein Video aufzunehmen, brauchen wir etwas, das sich wiederholen lässt“, erläutert Velten.

Die MIT-Kamera wird also nichts aufnehmen können, was nicht nach exakten Regeln immer wieder ereignen kann. Dennoch eröffne sie interessante Anwendungsmöglichkeiten, sagt Velten. Eine bezeichnet er als „Ultraschall mit Licht“: Laserpulse könnten in Gewebe geschossen und bei ihrer Bewegung durch dieses von der Kamera verfolgt werden. Die Art, wie sie sich ausbreiten, könnte Aufschluss über Strukturen geben, die herkömmlichen Bildverfahren unzugänglich sind.

Srinivasa Narasimhan, der sich an der Carnegie Mellon University mit Computertechnik in der Photographie beschäftigt, ist von dem MIT-System „beeindruckt“. Physiker und Chemiker könnten es gebrauchen, um kurze Ereignisse oder Reaktionen zu „filmen“. Es könne auch helfen, die Wechselwirkung von Licht mit physischen Objekten noch besser zu verstehen. „Wir können die Ausbreitung von Licht zwar schon seit langem simulieren, aber nun können wir sie wirklich sehen und in Zeitlupe betrachten.“

Rahskar kann sich auch neue Tricks der Bildbearbeitung vorstellen. Wenn man genau sehen könne, wie Licht mit einer räumlichen Anordnung von Gegenständen wechselwirkt, könnten sich anhand dieser Information Szenen auf digitalen Fotos nachträglich neu ausleuchten lassen. Einen ähnlichen Ansatz verfolgt das Start-up Lytro mit einer Kamera, die den Weg des Lichts erfasst, um so nachträglich die Schärfe-Ebene einer Aufnahme verändern zu können.

Der Prototyp der MIT-Gruppe ist allerdings noch ziemlich unhandlich und füllt einen großen Tisch aus, unter dem die Laser-Apparatur – ein Titan-Saphir-Laser – steht. Die sei aber ziemlich alt, meint Velten und könnte durch einen Laser von der Größe eines PCs ersetzt werden. Man überlege bereits, wie sich das ganze System auf Laptop-Ausmaße verkleinern lasse.

Weitere Informationen zur Femto-Kamera und Bilder gibt es auf der Übersichtsseite von Ramesh Raskar. Beschrieben ist das Konzept in dem Paper: A. Velten, R. Raskar, and M. Bawendi, "Picosecond Camera for Time-of-Flight Imaging," in Imaging Systems Applications, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011) [Abstract] (nbo)