Laborkamera erfasst 11 Bilder von Femtosekunden bis Nanosekunden

Ein Laserpuls trifft auf eine Glasprobe. In den ersten 100 Femtosekunden beginnt sich das Material zu verändern. Innerhalb von 10 Nanosekunden laufen Stoßwellen hindurch, und Material wird ausgestoßen. In einem im Fachjournal Optica veröffentlichten Laborexperiment hat ein Team der Universität Tokio diese gesamte Abfolge in 11 Bildern festgehalten, und zwar in einem einzigen Schuss.

Konventionelle ultraschnelle Fotografie arbeitet in Zeitskalen von Mikrosekunden (millionstel Sekunden) und Millisekunden (tausendstel Sekunden) und nimmt ihre Bilder in gleichmäßigen oder nahezu gleichmäßigen Abständen auf. Das passt zu Vorgängen, die stetig ablaufen. Sie verfehlt jedoch die Momente, in denen sich ein Prozess am schnellsten verändert, denn nicht jede wichtige Veränderung geschieht in sauber verteilten Intervallen.

Das Team unter Leitung des außerordentlichen Professors Keiichi Nakagawa vom Fachbereich Bioengineering setzt seine Bilder dort ein, wo sich am schnellsten etwas verändert. Die Methode, logarithmische ultraschnelle Fotografie, setzt Bilder zu frühen Zeitpunkten eng beieinander und später weiter auseinander. Umgesetzt wird sie in STAMP (sequentially timed all-optical mapping photography) und nutzt BRIDGE (band-resolved individual delay generation), das Wellenlängenbänder nacheinander herauslöst und jedes Band unabhängig zeitlich einstellen lässt, während es weiterhin einem bestimmten Zeitpunkt des Prozesses zugeordnet wird. Das Ergebnis sind 11 Bilder, die etwa fünf Größenordnungen der Zeit abdecken, von rund 100 Femtosekunden bis 10 Nanosekunden. Keitaro Shimada, Postdoktorand in der Gruppe Nakagawa und Erstautor, formulierte das Ziel schlicht: „Wir wollten einen Weg finden, diese sehr unterschiedlichen Zeitskalen in einer einzigen Messung zu verbinden.“

Für Forscher in der Laserbearbeitung, der Materialwissenschaft, der Plasma- und Stoßwellenforschung sowie der Biomedizin liegt der Gewinn bei Vorgängen, die sich nur schwer exakt wiederholen lassen. Nakagawa argumentiert, dass „die Aufnahme der frühen und späteren Stadien desselben Ereignisses Zusammenhänge sichtbar machen kann, die verloren gehen könnten, wenn eine Abfolge aus getrennten Experimenten rekonstruiert wird.“ Das Team schlägt diese Felder als Hauptanwendungen vor. Dabei bleibt es bei Vorschlägen: Die Demonstration fand an Glas und an Hydroxylapatit statt, dem Mineral von Knochen und Zähnen, und ein Termin für eine Nutzung über das Labor hinaus wird nicht genannt.

Die Grenzen sind konkret. Jede Messung ist ein einzelner Schuss, sodass jedes Ereignis in diesem Aufbau genau eine Abfolge von 11 Bildern liefert. Die ausgewerteten Quellen nennen weder die Bildauflösung noch die Kosten der Ausrüstung oder ihren Platzbedarf. Genau diese Faktoren werden darüber entscheiden, wie weit sich die Methode aus einem spezialisierten Labor hinaus verbreiten kann.