Schockwelle aus Licht gefilmt

100 Milliarden Bilder pro Sekunde: Neues Kamerasystem nimmt erstmals photonischen Mach-Kegel aus gestreuten Lichtwellen auf
Illustration eines photonischen Mach-Kegels: Dieser bildet sich aus, wenn sich ein Laserpuls schneller bewegt als die von ihm erzeugten Streulichtwellen.
Illustration eines photonischen Mach-Kegels: Dieser bildet sich aus, wenn sich ein Laserpuls schneller bewegt als die von ihm erzeugten Streulichtwellen.
© Jinyang Liang & Lihong V. Wang
St. Louis (USA) - Nichts bewegt sich schneller als Licht. Dennoch gelang es nun einer amerikanischen Forschergruppe, die Ausbreitung von gestreuten Lichtwellen mit einer ausgeklügelten Hochgeschwindigkeitskamera in einem Film festzuhalten. Mit bis zu 100 Milliarden Bildern pro Sekunde erkannten die Wissenschaftler, dass Streulicht einen Mach-Kegel aus komprimierten Lichtwellen ausbilden kann, ganz analog zu den Schallwellen eines mit Überschall fliegenden Jets. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten, könnte ihre Kamera für die Aufnahme extrem schneller biologischer Prozesse wie etwa dem Signalfeuer von Neuronen genutzt werden.

„Ein Mach-Kegel entsteht, wenn sich die Quelle für Wellen schneller bewegt als die Wellen selbst“, sagt Jinyang Liang von der Washington University in St. Louis. Für Flugzeuge, die schneller als der Schall fliegen, ist dieser Effekt alltäglich. Um mit Licht einen photonischen Mach-Kegel zu erzeugen, entwarf Liang mit seinen Kollegen ein verblüffendes Experiment. Sie lenkten den nur sieben milliardsten Sekunden kurzen grünen Lichtpuls eines Lasers durch einen kleinen Kanal, der mit einem Nebel aus Trockeneis gefüllt war. Vor und hinter diesem Kanal platzierten sie je ein Stück lichtdurchlässiges Silikongummi mit eingelagerten Körnchen aus Aluminiumoxid, an denen das Laserlicht gestreut wurde.

Da Silikon ein dichteres Medium ist als Luft, breiteten sich die Lichtwellen in diesen Abschnitten langsamer aus. Im Tunnel mit dem Trockeneisnebel bewegte sich der Laserpuls dagegen schneller als die an den Aluminiumoxid-Partikeln gestreuten Lichtwellen. Dadurch wurden die Streulichtwellen vor dem schnelleren Laserpuls komprimiert und der photonische Mach-Kegel mit leuchtenden Kanten entstand.

Um diesen Effekt sichtbar zu machen, nutzten Liang und Kollegen eine spezielle Hochgeschwindigkeitskamera. Mit dieser nahmen sie die Ausbreitung der Lichtwellen aus drei verschiedenen Blickrichtungen auf. Eine Aufnahme mit einer sogenannten Streak-Kamera entsprach einem direkten Bild des Streulichts innerhalb einer festen Belichtungszeit. In dieser einen Aufnahme steckten jedoch die Daten des gesamten Phänomens. Dessen Zeitstruktur lieferte die beiden anderen Ansichten. So konnten die Forscher mit einem komplexen Algorithmus das ursprüngliche Bild in viele Teilbilder zerlegen. Ergebnis dieser Berechnungen war eine Videosequenz des photonischen Mach-Kegels mit 100 Milliarden Bildern pro Sekunde.

Mit ihrem Film eines photonischen Mach-Kegels belegte Liang die enorme zeitliche Auflösung seiner Highspeed-Kamera. Diese könnte in Zukunft sogar für detaillierte, biomedizinische Analysen genutzt werden. Denn gestreutes Licht eröffnet Medizinern schon heute einen genauen Blick auf Gewebe oder den Blutfluss in einem Körper. Mit der neuen extrem schnellen Aufnahmemethode könnten sogar noch schnellere Prozesse wie etwa das Feuern von Nervenpulsen von Neuronen in Echtzeit gefilmt werden.

© Wissenschaft aktuell


 

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