Thema: Zeitlupenkamera macht Ausbreitung von Licht sichtbar

[spoke1]

1 Billion Bilder pro Sekunde


Forscher am MIT haben eine Kamera entwickelt, die 1 Billion Bilder pro Sekunde aufnimmt. Das reicht aus, um eine Zeitlupenaufnahme zu erzeugen, auf der erkennbar ist, wie sich Licht ausbreitet.
Die am Media Lab des Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelte "ultimative Zeitlupenkamera" ist so schnell, dass sie die Ausbreitung von Licht in Zeitlupe zeigen kann. Das im Englischen als "Trillion Frames Camera" bezeichnete System nimmt dazu rund 1 Billion Bilder pro Sekunde auf.
Die Forscher machen sich dabei das Prinzip der Streak-Kamera zunutze, bei der Photonen durch einen Spalt in die Kamera gelangen und dort ein elektrisches Feld passieren, das sie senkrecht zum Spalt reflektiert. Da sich das elektrische Feld dabei schnell ändert, leitet es spät eintreffende Photonen stärker ab als früh eintreffende.
So entsteht zwar ein zweidimensionales Bild, aber nur eine Dimension - die dem Spalt entsprechende - ist räumlich. Die andere Dimension hängt vom Grad der Ablenkung ab und erfasst die Zeit. Das Bild zeigt also, in welchem zeitlichen Ablauf die Photonen den eindimensionalen Spalt im Raum passieren.
Entwickelt wurde die Streak-Kamera eigentlich für den Einsatz in der chemischen Forschung. Sie ermöglicht es, die Wellenlänge einer Probe zu bestimmen und aufzuzeigen, wie sich das von einer Probe emittierte Licht im Zeitverlauf ändert. Dabei spielt es keine Rolle, dass die Kamera nur eine räumliche Dimension aufnimmt.
Den MIT-Forscher Andreas Velten, Ramesh Raskar und Moungi Bawendi ist es aber gelungen, mit einer solchen Kamera zwei räumliche Dimensionen zu erfassen, so dass ein extremer Zeitlupeneffekt entsteht. Dazu führen sie die gleiche Aufnahme wiederholt durch und positionieren dabei die Kamera mit Hilfe eines sich drehenden Spiegels jeweils neu, um zeilenweise ein zweidimensionales Bild zu erfassen. Sie nennen dies "Femto-Fotografie".

Damit die Belichtung aller Aufnahmen identisch ist und aus den Einzelaufnahmen ein Zeitlupenvideo zusammengesetzt werden kann, mussten Kamera und der den Lichtpuls erzeugende Laser genau aufeinander abgestimmt werden. Dazu bedarf es hochwertiger optischer Geräte und sehr guter mechanischer Kontrolle.
Rund eine Stunde dauert eine Aufnahme, die zeigt, wie Licht innerhalb einer Nanosekunde durch eine Flasche wandert. Sie besteht aus 480 Einzelbildern, jedes Bild erfasst etwa 1,71 Picosekunden. MIT-Professor Raskar spricht daher von der "weltweit langsamsten schnellsten Kamera".
Am Ende einer solchen Aufnahme stehen Hunderttausende von Datensätzen, die jeweils eine Datenreihe mit den Positionen der Photonen im Zeitablauf enthalten. Raskar und Velten haben zusammen mit Kollegen einen Algorithmus entwickelt, der diese Daten zu zweidimensionalen Videosequenzen zusammensetzt. Allerdings ist es mit diesem Verfahren nur möglich, Aufnahmen von Dingen zu machen, die sich nicht bewegen.Die für solche Aufnahmen notwendige Hardware ist derzeit noch sehr teuer: Die Streak-Kamera und der verwendete Laser kosten rund 250.000 US-Dollar.
Raskar sieht Einsatzmöglichkeiten für das System auf verschiedenen Gebieten. So könnte sie als eine Art Ultraschall mit Licht und für die Erforschung von Materialeigenschaften eingesetzt werden. Zudem könnte die Technik die notwendigen Analysen liefern, um bessere Blitzgeräte für Fotoapparate zu entwickeln. Raskar nennt es einen ultimativen Traum, einen Aufsteckblitz zu entwickeln, der es mit einem Studioblitz mit all seinem Zubehör aufnehmen.

Quelleund ein paar Versuchsfilmchen: klick

[Jürgen]

Die Forscher machen sich dabei das Prinzip der Streak-Kamera zunutze, bei der Photonen durch einen Spalt in die Kamera gelangen und dort ein elektrisches Feld passieren, das sie senkrecht zum Spalt reflektiert.

Mit Verlaub, diese Formulierung ist kompletter Quatsch.

Photonen lassen sich durch elektrische Felder überhaupt nicht beeinflussen, da sie keine Ladung haben.
(Ich will jetzt einmal von denkbaren Extremfällen absehen, wo Photonen derart abartige Energie aufwiesen, dass spontan Elektronen-Positronen-Paare entständen. Derartige Strahlungsquellen hat die Menschheit glücklicherweise noch lange nicht in Sicht. Solche Paare könnten u.U. durch extrem starke elektrische Felder noch vor ihrer spontanen Materie-Antimaterie-Vernichtung separiert und somit vorläufig erhalten blieben. Von solch einer Antiteilchen-Quelle träumt wohl jeder Dr. Strangelove...   )

Aber Elektronen kann man natürlich so ablenken, wie in Oszilloskopen üblich, oder im guten alten Magischen Auge  

Original-Zitat in Englisch:
"Particles of light — photons — enter the camera through the slit and are converted into electrons, which pass through an electric field that deflects them in a direction perpendicular to the slit."

Auch das könnte leicht falsch verstanden werden. Hier geht es um einen Detektor, bei dem aufgenommene Photonen vorhandene Elektronen auslösen, ohne jede Magie...
Von da an wird die Sache plausibler.

Jürgen

[Jürgen]

... und ehe ich's vergesse, ES GIBT KEINE WEISSEN LASER !!!
Physikalisch unmöglich und ein Widerspruch in sich.
Laserlicht muss kohärent entstehen, anders geht es vom Prinzip her nicht.
Zwar kann man nachträglich diverse Formen der Dekohärenz erzielen, aber um dabei aus einer einzigen Wellenlänge ein (mindestens fast) weisses Licht zu erzeugen, mit einer Bandbreite von nahezu einer Oktave also, wäre eine fast unendliche Dämpfung zwingende Folge.

Und Lichtquellen, die solch weisses Licht erzeugen, lassen sich nicht so schnell pulsen.
Selbst wenn, würden aber nach Fourier dabei die niederfrequenteren Anteile zwangsläufig abfallen, das Ganze stark blau werden, zumindest aber farbige Ränder aufweisen.
Es gibt überhaupt keinen Oszillator, der nur einen eng begrenzten Ausschnitt einer Halbwelle erzeugen könnte, weil sich so die Schwingung gar nicht erst aufbauen kann.

Dass der weiß erscheinende Lichtstrahl der übersteuerten Kameratechnik geschuldet sei, könnte man jetzt einwerfen, der Strahl wäre in Wirklichkeit grün gewesen.
Nur wäre dann das Streulicht an den Wänden nicht übersteuert und also in Originalfarbe zu sehen.

Noch was, das im Nebel in der Flasche entstehende Streulicht, das u.a. den Strahl sichtbar werden lässt, kann nur diffus entstehen und muss daher auch nur völlig diffus auf die Umgebung wirken und nicht weit überwiegend nach vorne gerichtet, als scharf gezeichnete Wellenfront.

Das mit der Colaflasche ist also nicht nur Schleichwerbung, sondern auch Humbug.
Allenfalls eine reine und schlecht gemachte Illustration, sonst aber ein absoluter FAKE.