P-CUP: Ultraschnelle Kamera bildet Ausbreitung von Schockwellen ab

Sie ist zwar nur ein Zehntel so schnell wie die schnellste Kamera der Welt; aber dafür kann P-CUP schnelle Prozesse in transparenten Objekten erfassen und vielleicht auch die Kommunikation von Nervenzellen untereinander.

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Die Hochgeschwindigkeitskamera P-CUP zeigt, wie sich eine Schockwelle, die durch das Auftreffen eines Lasers auf Wasser erzeugt wird, ausbreitet.
Die Hochgeschwindigkeitskamera P-CUP zeigt, wie sich eine Schockwelle, die durch das Auftreffen eines Lasers auf Wasser erzeugt wird, ausbreitet. (Bild: Caltech)

Transparente Objekte, Schockwellen und vielleicht sogar Nervensignale: Forscher in den USA haben eine Kamera entwickelt, die eine Billion Bilder pro Sekunde (Frames per Second, fps) aufnimmt. Sie ist aber nicht die schnellste Kamera der Welt.

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Phase-sensitive Compressed Ultrafast Photography (P-CUP) nennen die Forscher vom California Institute of Technology (Caltech) die Technik. Sie basiert auf der Hochgeschwindigkeitsfotografie-Technik Compressed Ultrafast Photography (CUP), an der Projektleiter Lihong Wang schon seit einigen Jahren arbeitet. 2014 wurde eine CUP-Kamera vorgestellt, die mit 100 Milliarden fps schnell genug war, um einen Laserpuls zu verfolgen, der von einer Fläche abprallt. 2019 stellten sie die Weiterentwicklung vor, die T-CUP-Kamera, die sogar zehn Billionen fps erreicht und es schafft, die Bahn des Pulses eines Femtosekunden-Lasers abzubilden.

Allerdings kann diese Kamera keine Bilder von transparenten Objekten aufnehmen. Deshalb haben Wang und sein Team ihre Hochgeschwindigkeitsfotografie-Technik mit einer weiteren Technik kombiniert, der Phasenkontrastmikroskopie. Die macht sich zunutze, dass sich die Phase von Lichtwellen beim Durchgang durch ein Medium abhängig von seinem Lichtbrechungsindex verändert. So wird beispielsweise ein Lichtstrahl verlangsamt, wenn er in ein Glasstück hineinfällt, und beschleunigt, wenn er wieder herauskommt.

"Wir haben die Standard-Phasenkontrastmikroskopie so angepasst, dass sie eine sehr schnelle Bild-Erzeugung bietet, die es uns erlaubt, ultraschnelle Phänomene in transparenten Materialien abzubilden", sagte Wang. Die Forscher beschreiben ihre Arbeit in der Fachzeitschrift Science Advances.

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Mit der neuen Kamera haben die Forscher bereits die Ausbreitung einer Schockwelle im Wasser sowie einen Laserpuls, der durch ein kristallines Material wandert, abgebildet. Wang sieht Anwendungen für P-CUP unter anderem in der Wissenschaft, beispielsweise in der Chemie, der Physik und der Biologie: "Wenn die Signale durch die Neuronen wandern, gibt es eine winzige Erweiterung der Nervenfasern, von der wir hoffen, sie zu sehen. Wenn wir ein Netzwerk von Neuronen haben, sehen wir vielleicht ihre Kommunikation in Echtzeit", sagt Wang. Außerdem könnte es möglich sein, die Ausbreitung von Flammen in einer Brennkammer abzubilden.

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