Die schnellste Kamera der Welt

Tokio (Japan) - Das Platzen eines Luftballons lässt sich in allen Phasen mit Hochgeschwindigkeitskameras festhalten. Etwa 10.000 Bilder pro Sekunde reichen dafür aus. Fast eine Milliarde mal schneller filmt nun eine neuartige Kamera, die japanische Wissenschaftler entwickelt haben. Damit lässt sich der Ablauf chemischer Reaktionen und schneller physikalischer Prozesse genauer analysieren. Der Prototyp, den die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ vorstellen, erreichte bei einer Taktrate von vier Billionen Bildern pro Sekunde eine Auflösung von 450 auf 450 Bildpunkten.

„Diese schnellste Kamera der Welt verspricht neue Einblicke in chemische Reaktionen, Wärmetransport oder Ultraschall-Untersuchungen“, sagt Keisuke Goda von der chemischen Fakultät der University of Tokyo. Zusammen mit Kollegen der Keio University in Kanagawa erreichte das Team um Goda die Rekordgeschwindigkeit mit einem Prinzip, das sie „Motion Picture Femtophotography“ tauften. Der Prototyp ihrer Hochgeschwindigkeitskamera bestand dabei aus einem komplexen Aufbau, der sich etwa über einen Quadratmeter eines optischen Tisches erstreckte.

Als Lichtquelle diente Goda und Kollegen ein Titan-Saphir-Laser, der extrem kurze Femtosekunden-Pulse im nahen Infrarot-Bereich aussendete. Geleitet durch einen Glasstab oder eine Glasfaser, ließ sich der Lichtpuls etwas strecken. Über eine geschickte Anordnung von Spiegeln und Beugungsgittern erhielten sie einzelne Teilpulse in kurzen Abständen von bis zu fünf billionstel Sekunden. Dieser Schwarm von zeitlich leicht versetzten Teilpulsen konnte auf eine zu untersuchende Probe gelenkt werden. Um die hohe zeitliche Auflösung demonstrieren zu können, wählten die Forscher verschiedene dynamische Prozesse wie beispielsweise ein in Schwingung versetztes Kristallgitter.

Die von diesen Prozessen veränderten Lichtpulse trafen danach auf einen digitalen Fotosensor. Dabei beleuchtete jeder Teilpuls nur einen Teil des Bildchips, da sie über eine Periskop-artige Spiegelanordnung voneinander getrennt wurden. Im Computer ausgewertet ergaben sich so Filmaufnahmen mit Taktraten von einer bis 4,4 Billionen Bildern pro Sekunde. So ließ sich die Dynamik der atomaren Prozesse bei dem in Schwingung versetzten Kristallgitter beobachten. Mit diesem Kamera-Prinzip halten Goda und Kollegen es gar für möglich, die Dynamik von Wärmephänomenen, die ein Sechstel der Lichtgeschwindigkeit erreichen, filmen zu können.

In weiteren Schritten wollen die Forscher ihre Hochgeschwindigkeitskamera noch kompakter gestalten und auch Laser nutzen, die Lichtpulse nicht nur im infraroten und sichtbaren Spektrum, sondern auch im Röntgen- und Terahertz-Bereich aussenden. Sollten diese Versuche erfolgreich verlaufen, könnte die „Femtofotografie“ genauere Einblicke in viele schnelle Prozesse in der Grundlagen- oder Materialforschung liefern. Auch die genauere Analyse biologischer Vorgänge halten sie nicht für ausgeschlossen.