Bilder am laufenden Band

Die mit Abstand schnellste Kamera haben amerikanische Forscher entwickelt. Das neuartige Gerät schafft mehr als sechs Millionen Bilder pro Sekunde und ist damit gut zweihunderttausend Mal schneller als handelsübliche Digitalkameras. Gleichzeitig kann es wenige Tausendstelmillimeter große Strukturen auflösen – und das mit einem einzigen Bildpunkt.

Die STEAM-Kamera nutzt einen zweifach aufgefächerten Laserstrahl zur Beleuchtung des Objekts. Ein Apfel würde ihr Blickfeld von derzeit maximal 0,43 Millimeter Breite allerdings sprengen. Grafik: T. Sato

Die Belichtungszeit liegt derzeit bei knapp unter einer halben Milliardstelsekunde, berichten Keisuke Goda von der University of California, Los Angeles, und seine Kollegen im Magazin “Nature”. Damit sei ihre Kamera besonders geeignet für die Erforschung rasch ablaufender Prozesse, so die Forscher. Beispiele seien die Treibstoffeinspritzung in Motoren, die Signalübermittlung zwischen Zellen und der medizinische Einsatz von Stoßwellen.

Als Lichtquelle setzen Goda und Kollegen einen Infrarotlaser ein. Dessen Strahl wird in horizontaler und in vertikaler Richtung aufgefächert, sodass auf jeden Punkt des Objekts Licht einer etwas anderen Wellenlänge fällt. Das zurückgeworfene Licht wird wieder vereinigt und in eine lange Glasfaser geleitet. Darin bewegt es sich, abhängig von seiner Farbe, unterschiedlich schnell. Dadurch wird der von dem Objekt reflektierte Lichtpuls so stark gedehnt, dass statt Abermillionen träger Bildpunkte eine einzige schnelle Photodiode genügt, um das Bild des Objekts zu rekonstruieren.

Die Forscher setzen zunächst eine erbiumdotierte Faser ein, in der das reflektierte Licht mit Hilfe eines Pumplasers um den Faktor zehn (10 Dezibel) verstärkt wird. Darauf folgt eine dispersionskompensierende Faser, in der nicht nur die Dehnung des Pulses, sondern auch eine Raman-Verstärkung um den Faktor 31,6 (15 Dezibel) erfolgt. Dank der rein optischen Gesamtverstärkung um 25 Dezibel komme man daher ohne aufwändige Elektronik oder extrem starke Beleuchtung aus, so Goda und Kollegen.

Die Gruppe demonstriert die Fähigkeiten ihrer STEAM-Technik (Serial Time-Encoded Amplified Microscopy) mit Aufnahmen einer Aluminiumschicht, auf die ein Laserpuls gerichtet wird. Die Bilder zeigen, wie sich das Material in den ersten 500 Nanosekunden (Milliardstelsekunden) des Beschusses kaum verändert, um dann schlagartig zu verdampfen. In der Zeit förmlich einfrieren konnten die Forscher auch die Bewegung von einige Mikrometer (Tausendstelmillimeter) großen Partikeln, die mit fünf Metern pro Sekunde durch eine Hohlfaser vom Durchmesser eines Haares rasten.

Forschung: Keisuke Goda, Kevin K. Tsia und Bahram Jalali, Department of Electrical Engineering, University of California, Los Angeles

Veröffentlichung Nature, Vol. 458, 30. April 2009, pp 1145-9, DOI 10.1038/nature07980

WWW:
Optoelectronic Circuits and Systems Laboratory, Bahram Jalali
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