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PHYSIK: Bewegung eines Lichtstrahls gefilmt

Mit einer Spezialkamera haben Forscher den "Überschallkegel" eines Laserpulses gefilmt. Damit können sie direkt sichtbar machen, wie der Lichtstrahl voranschreitet und was er in seiner Umgebung auslöst. Die Technik eröffnet neue Möglichkeiten für die biomedizinische Bildgebung, indem sie beispielsweise erlaubt, das Feuern von Nervenzellen abzubilden.

Lihong Wang von der Washington University in St. Louis (USA) und seine Kollegen entwickelten eine flächige Versuchsanordnung, die aus zwei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften besteht. In der Mitte befindet sich ein Kanal, bestehend aus einem Medium mit niedrigem Brechungsindex. Dieser ist auf beiden Seiten von einem Material mit höherem Brechungsindex umgeben. Die Forscher leiten Laserpulse aus sichtbarem Licht, nur sieben billionstel Sekunden lang, in den Kanal ein. Hier pflanzt sich der Puls fort, wobei sein Licht gestreut wird und zum Teil in das umgebende Medium eintritt. Weil dort der Brechungsindex höher ist und somit die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen kleiner, entsteht ein "Überschallkegel" aus Licht, den der Laserpuls quasi hinter sich herschleppt.

Ein speziell entwickeltes System aus Spiegeln, Strahlteilern und Kameras namens LLE-CUP (lossless-encoding compressed ultrafast photography) erlaubt es den Forschern, das Geschehen mit 100 Milliarden Aufnahmen pro Sekunde zu filmen. Das System nimmt den Vorgang dabei aus je drei verschiedenen Ansichten auf. Die erste liefert ein direktes Abbild, integriert über die Belichtungszeit, und ähnelt damit einer herkömmlichen Fotografie. Die anderen beiden liefern zeitliche Informationen über die Lichtausbreitung. Aus den drei Ansichten zusammen lässt sich die Dynamik des Vorgangs rekonstruieren, und die entstehenden Filme zeigen, wie der Laserpuls voranschreitet und dabei den "Licht-Überschallkegel" erzeugt. Dessen Lichtschweife haben einen Winkel von jeweils rund 45 Grad, was den Werten gleichkommt, die theoretisch für einen solchen Mach-Kegel er­mittelt wurden.

Ein speziell entwickeltes System aus Spiegeln, Strahlteilern und Kameras namens LLE-CUP (lossless-encoding compressed ultrafast photography) erlaubt es den Forschern, das Geschehen mit 100 Milliarden Aufnahmen pro Sekunde zu filmen. Das System nimmt den Vorgang dabei aus je drei verschiedenen Ansichten auf. Die erste liefert ein direktes Abbild, integriert über die Belichtungszeit, und ähnelt damit einer herkömmlichen Fotografie. Die anderen beiden liefern zeitliche Informationen über die Lichtausbreitung. Aus den drei Ansichten zusammen lässt sich die Dynamik des Vorgangs rekonstruieren, und die entstehenden Filme zeigen, wie der Laserpuls voranschreitet und dabei den "Licht-Überschallkegel" erzeugt. Dessen Lichtschweife haben einen Winkel von jeweils rund 45 Grad, was den Werten gleichkommt, die theoretisch für einen solchen Mach-Kegel er­mittelt wurden.

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