Physik

Photonen, die sich in Zeitlupe mit 1 Billion Bildern pro Sekunde bewegen

Photonen, die sich in Zeitlupe mit 1 Billion Bildern pro Sekunde bewegen

Mithilfe der kürzlich entwickelten Technologie, die als Streifenkamera bekannt ist, konnten MIT-Ingenieure die Ausbreitung von Licht in Superzeitlupe visualisieren.

Die Kamera ist insofern außerordentlich einzigartig, als sie nur dünne Bildstreifen erfassen kann, die zu einem zweidimensionalen Bild führen. Die Kameraöffnung ist unglaublich schmal, so dass nur ein dünner Photonenstrahl in die Kamera eindringen kann. Die Photonen werden dann in Elektronen umgewandelt, kurz bevor sie in einem Winkel senkrecht zum Spalt gerichtet werden. Das sich schnell ändernde elektrische Feld lenkt Elektronen in unterschiedlichem Maße ab, wobei spät ankommende Elektronen stärker abgelenkt werden als die entsprechenden früh ankommenden. Mit dieser Methode wird eine Bildrate von eine Billion Bilder pro SekundeKann erreicht werden.

Basierend auf diesem Prinzip wird nur ein zweidimensionales Bild gerendert. Durch die Verwendung rotierender Spiegel kann jedoch ein 3D-Bild für Fälle erstellt werden, in denen eine Bewegung wiederholbar ist. Um das Bild der Flasche zu erstellen, muss die Kamera Bilder immer wieder mit einer Genauigkeit aufnehmen, die bis in die Flasche reicht Pikosekunden (1x1012 s), während gleichzeitig die Streifenkamera neu positioniert wird, um ein 3D-Bild zu erstellen.

Über den Zeitraum von nur einer Nanosekunde geht das Licht über die Flasche und Hunderttausende von Datensätzen werden gesammelt. Ein Computeralgorithmus organisiert die Hunderte von Gigabyte gesammelt und näht sie zu einem einzigen Rahmen. Die Kamera ist jedoch eine unglaublich ineffiziente Videokamera, da sie dreidimensionale Objekte nur in Fällen rendern kann, in denen das Experiment immer wieder präzise wiederholt werden kann.

Dennoch implementieren derzeit andere Ingenieure die Streifenkamera bereits in unterschiedlichen Konfigurationen, um weitere beeindruckende Ergebnisse zu erzielen. Ein solches Team nutzt die Technik, um Menschen um die Ecke zu sehen. Ein Laser sendet einen Lichtstrahl aus, der dann von der Streifenkamera aufgezeichnet wird. Der Strahl wird reflektiert und breitet sich im Raum aus, bis er von der Kamera absorbiert oder gesammelt wird. Durch Analyse der spezifischen Zeit und des Rückkehrwinkels über die ausgesendeten Photonen kann bestimmt werden, was um eine Ecke verbleibt.

In der medizinischen Industrie könnte die Kamera auch als hochpräzises Gerät verwendet werden, das in seiner Funktion einem Ultraschallgerät ähnelt, bei dem Licht den Ton ersetzen könnte. Während die Kamera derzeit für (wenn auch unglaubliche) wissenschaftliche Experimente verwendet wird, könnten reale Anwendungen des Geräts in naher Zukunft sehr nützlich sein.

Geschrieben von Maverick Baker


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