Gewinn ohne Verlust

News: Gewinn ohne Verlust

Wer kennt das nicht: Das schönste Urlaubsfoto wird als Poster abgezogen - doch das Bild erscheint körnig und unscharf. Dafür ist jedoch nicht nur das Bild selbst verantwortlich, sondern nahezu alle Prozesse, mit denen kleine Signale verstärkt werden, verschlechtern die Qualität des Produktes. Jetzt haben Wissenschaftler eine Methode entwickelt, bei der die Vergrößerung dieselbe Körnung aufweist wie das Ausgangsbild.

In den 80er Jahren wurde zum ersten Mal von Vergrößerungen gesprochen, die kein "Hintergrundrauschen" haben sollten. Anfang der 90er Jahre konnte die Idee für zeitlich variable Signale auch realisiert werden. Bilder sind nichts anderes als räumlich sich verändernde Signale. Prem Kumar und seine Kollegen von der Northwestern University in Evanston benutzten einen sogenannten optischen parametrischen Verstärker (OPA) – ein Kristall aus Kalium-Titanyl-Phosphat (KTP), der grüne Photonen in jeweils zwei infrarote (IR) Photonen umwandeln kann. Ein grüner "Pump"-Laser, der auf einen solchen Kristall gerichtet ist, erzeugt Photonenpaare, deren Phasen zufällig und antikorreliert sind – das heißt, wenn ein Photon der Laser-Phase ein kleines Stück voraus ist, so folgt das andere mit genau demselben Betrag später der Phase des Lasers nach. Die durchschnittliche Phase der infraroten Signale stimmt damit jedoch genau mit der Phase des grünen Laser überein.

Dieser OPA kann infrarote Signale nur verstärken, wenn das Infrarotsignal und der grüne Strahl gleichzeitig auf dem Kristall auftreffen. Der Infrarotstrahl regt dann nämlich die Entstehung von weiteren Infrarot-Photonen an, zusätzlich zu denen, die durch den grünen Strahl erzeugt werden. Diese Vervielfältigung von Photonen entspricht im Prinzip den Vorgängen in einem Laser. Der Unterschied ist jedoch, daß die durchschnittliche Phase der spontan entstandenen Photonenpaare aus dem OPA im Gegensatz zum Laser kontrolliert werden kann.

Die Wissenschaftler schickten ihren Infrarotstrahl durch ein doppeltes Schlitzmuster, welches das Bild darstellen sollte. Bei nicht auf den grünen Laser abgestimmten Infrarotsignalen würde die Körnigkeit des Abbildes zunehmen, da die spontanen Photonenpaare mit den durch den grünen Strahl erzeugten Photonen interferieren würden. Die Forscher synchronisierten jedoch die Phasen der infraroten und der grünen Signale. Sie maßen dann an verschiedenen Stellen sowie mit als auch ohne Verstärkung das Verhältnis der Signale zu den Störeffekten und stellten fest, daß es im Grunde gleich bleibt und auch durch die Verstärkung nicht verändert wurde (Physical Review Letters vom 6. September 1999).

Kumar betont, daß diese Technik nur funktioniert, wenn die Phasen aufeinander abgeglichen werden – für inkohärente Lichtquellen wie Sternenlicht ist sie daher nicht anwendbar. Es ist jedoch für jede Form von Laserlicht wie zum Beispiel Laser-Radar einzusetzen, solange die Weglänge nicht zu groß ist. Damit könnte das neue Verfahren für einige diagnostische Methoden in der Medizin von großem Interesse sein.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 30.11.1998
"Ein schneller Blick ins Gehirn"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum der Wissenschaft 5/97, Seite 16
"Die Abbildung der Lufträume in der Lunge mit spinpolarisiertem Helium"
(nur für Heft-Abonnenten online zugänglich)

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