»Überschall-Kegel« eskortiert Lichtblitz
© Jinyang Liang

»Überschall-Kegel« eskortiert Lichtblitz

30. Januar 2017 | von Thorsten Naeser

Ein Team um Jinyang Liang von der Washington University on St. Louis hat erstmals in Echtzeit einen Laserpuls und dessen Wirkung auf sein Umfeld fotografiert.

Nichts ist schneller als das Licht. Mit knapp 300.000 Kilometern pro Sekunde rast es durch den Raum. Es klingt nach einem Ding der Unmöglichkeit, Lichtteilchen während ihres Fluges zu fotografieren. Doch seit wenigen Jahren ist das mit raffinierten Ultrakurzzeittechniken möglich.

Wer die Bewegungen von Lichtteilchen fotografieren möchte, muss über »Fotoapparate« mit extrem kurzen Belichtungszeiten verfügen. »Die Bewegung von Lichtpulsen einzufangen erfordert Belichtungszeiten von Pikosekunden«, erklärt Jinyang Liang von der Washington University on St. Louis. Eine Pikosekunde ist ein Millionstel einer Millionstel Sekunde.

Liang und sein Team haben es jetzt geschafft eine solche Kamera zu perfektionieren. Ihr System nimmt 100 Milliarden Bilder pro Sekunde auf. Die Bilder enthüllen ein bislang noch nie beobachtetes Phänomen. Die Physiker haben erstmals den »Überschallkegel« eines Laserpulses in Echtzeit fotografiert. Sie berichten darüber im Wissenschaftsmagazin Science Advances (2017; doi: 10.1126/sciadv.1601814).

Solche »Überschallkegel« entstehen wenn sich Objekte schneller als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der von ihnen erzeugten Wellen bewegen. So werden etwa beim Flug mit Überschallflugzeugen die Schallwellen von der Flugzeugspitze weg in eine nach hinten ausgerichtete Kegelform gedrückt.

© Jinyang Liang, Cheng Ma, Liren Zhu, Yujia Chen, Liang Gao and Lihong V. Wang, Science Advances 3, e1601814 (2017)

Breitet sich ein Lichtpuls aus, ist das gleiche Kegel-Phänomen zu beobachten, wie ein Video der Forschungsgruppe zeigt. Aufgenommen haben es die Wissenschaftler aus Einzelbildern mit ihrer neuen so genannten »loss-less encoding« CUP-Kamera. Diese Kamera besteht aus Spiegeln und Strahlteilern. Sie nimmt ein direktes Bild des Ereignisses auf, ergänzt diese Daten aber mit komplexen Algorithmen, die zusätzliche zeitliche Informationen liefern.

Fotografiert haben die Forscher die »Überschall-Kegel« von Laserpulsen, die sie durch ein spezielles Material schickten. Im Inneren Kanal des Mediums war der Brechungsindex niedriger, die Außenhaut hatte einen höheren Brechungsindex. Flitzt nun ein grüner, nur vier Pikosekunden langer, Laserpuls hindurch, wird sein Licht im Kanal schneller gestreut als an seiner Außenhaut. »Zu einer bestimmten Zeit hat die Verteilung des Streulichts die Form eines Überschall-Kegels«, erklärt Liang. »Und genau den haben wir fotografiert.«

Die Forscher sind überzeugt, dass ihre neue Technologie die biomedizinische Bildgebung verbessern kann. So könnten mit ihr dynamische dreidimensionale Strukturen biologischer Systeme in lebenden Organismen fotografiert werden.