Photonischer Mach-Kegel gefilmt

  • 23. January 2017

Schockwellen von gestreuten Laserpulsen lassen sich mit 100 Milliarden Bildern pro Sekunde auf­zeichnen.

Fliegt ein Flugzeug schneller als der Schall, bildet sich ein Mach-Kegel aus kompri­mierten Schall­wellen aus. Einen analogen Effekt für Licht­wellen konnten nun Jinyang Liang und seine Kollegen von der Washington Univer­sity in St. Louis sicht­bar machen. Erst­mals filmten sie mit einer spezi­ellen Hoch­geschwin­dig­keits­kamera einen photo­nischen Mach-Kegel aus gestreuten Licht­wellen mit bis zu 100 Milli­arden Bildern pro Sekunde. Die Aufnahme­technik könnte in Zukunft auch für die Analyse extrem schneller biolo­gischer Prozesse wie etwa dem Signal­feuer von Neuronen genutzt werden.

Versuchsaufbau

Abb.: Mit diesem Aufbau gelang die Aufnahme eines photo­nischen Mach-Kegels mit 100 Milli­arden Bildern pro Sekunde. (Bild: J. Liang & L. V. Wang)

„Einen photonischen Mach-Kegel zu filmen war bisher eine enorme Heraus­forderung, da eine entspre­chende Aufnahme­technik fehlte“, sagt Liang. Doch mit einer modifi­zierten Streak-Kamera und einem ausge­klügelten Versuchs­aufbau gelang ihm genau dieses Kunst­stück. Dazu lenkte er gemein­sam mit seinen Kollegen einen nur sieben Pico­sekunden kurzen grünen Licht­puls eines Lasers durch einen spezi­ellen, wenige Milli­meter langen Licht­kanal. Dieser bestand aus einem kleinen Tunnel, der mit einem Nebel aus Trocken­eis gefüllt war, um das grüne Laser­licht sichtbar zu machen. Vor und hinter diesem Tunnel platzierten die Forscher je ein Stück transpa­rentes Silikon­gummi mit einge­lagerten Streu­körpern aus Aluminium­oxid.

Mit dieser Kombination aus einem optisch dünnen Medium – Luft mit Trocken­eis­nebel – und einem Medium mit deutlich größerem Brechnungs­index – Silikon­gummi – beein­flussten die Forscher die Ausbrei­tungs­geschwin­dig­keiten der Licht­wellen. So bewegte sich der grüne Laser­puls im Tunnel mit dem Trocken­eis­nebel schneller als die an den Aluminium­oxid-Partikeln gestreuten Licht­wellen. Die Folge: Die Streu­licht­wellen wurden vor dem schnelleren Laser­puls kompri­miert und ein photo­nischer Mach-Kegel mit leuchtenden Kanten entstand. Der Öffnungs­winkel dieses Kegels lag bei etwa 45 Grad und entsprach den parallel durch­ge­führten Simu­lations­rech­nungen für diesen Effekt.

Mach-Kegel

Abb.: Illustration eines photonischen Mach-Kegels. Dieser bildet sich aus, wenn sich ein Laser­puls schneller bewegt als die von ihm erzeugten Streu­licht­wellen. (Bild: J. Liang & L. V. Wang)

Für die Aufnahme des photonischen Mach-Kegels war die Anordnung der insge­samt drei Detek­toren von großer Bedeutung. Mit einer Streak-Kamera nahmen die Forscher einen Schnapp­schuss der Licht­wellen mit einer Pico­sekunden-Belich­tungs­zeit auf. Diese einzelne Auf­nahme enthielt jedoch deut­lich mehr Daten über den gesamten Ablauf des Mach-Kegel-Phänomens. Zwei weitere CCD-Detek­toren nahmen das Ereignis aus anderen Blick­winkeln auf und lieferten darüber die Zeit­struktur der Haupt­auf­nahme. Damit konnten die Forscher im Computer über einen komplexen Algo­rithmus das ursprüng­liche Bild in viele zeitlich auf­ein­ander folgende Teil­bilder zerlegen. Ergebnis dieser Berech­nungen war eine Video­sequenz des photo­nischen Mach-Kegels mit 100 Milli­arden Bildern pro Sekunde.

Die Filmaufnahme eines photonischen Mach-Kegels steltt zweifels­frei eine grund­legende physi­ka­lische Messung dar. Doch für ein bild­gebendes Ver­fahren mit einer derart hohen zeit­lichen Auf­lösung haben Liang und seine Kollegen auch konkrete Anwen­dungen im Blick. Sie schlagen vor, die Aufnahme­methode für detail­lierte bio­medizi­nische Analysen zu nutzen. Schon heute eröffnet gestreutes Licht Medi­zinern einen genauen Blick auf Gewebe oder den Blut­fluss in einem Körper. Mit der modifi­zierten Streak-Kamera könnten aber noch schnellere Prozesse wie etwa das Feuern von Nerven­pulsen von Neuronen in Echt­zeit gefilmt werden.

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Abb.: Photonischer Mach-Kegel aus gestreuten Licht­wellen. (Bild: J. Liang & L. V. Wang)

Auch heute lässt sich mit der Kurzzeit-Spektroskopie und Pump-Probe-Messungen die Dynamik von schnellen Prozessen auf­zeichnen. Doch sind dazu meist wieder­holte Auf­nahmen eines möglichst iden­tischen Vor­gangs unter konstanten Rand­bedin­gungen nötig. Liang betont daher, dass sein Video eines photo­nischen Mach-Kegels auf nur einem einzigen Schnapp­schuss beruht, dessen enthal­tene Zeit­struktur im Nach­hinein berechnet werden kann.

Jan Oliver Löfken

RK

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