„Geisterbilder" versprechen bessere Auflösung in Raum und Zeit

Sogenannte Geisterbilder sind die Grundlage eines neuartigen Verfahrens, um trotz störender Lichtstreuung scharfe Bilder eines Objekts aufnehmen zu können. Räumlich hoch aufgelöste Bilder etwa von Organen in stark streuendem menschlichen Gewebe konnten mit diesem „Ghost Imaging“ bereits erzeugt werden. Physiker gingen nun einen Schritt weiter und wandten das gleiche Prinzip für den Nachweis sehr schneller Prozesse auf der Zeitskala von millionstel millionstel Sekunden (Picosekunde) an. Über ihre Ergebnisse berichten sie in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“.

Zwei Aufbauten optischer Experimente mit eingezeichnetem Strahlengang.
Zweifacher Aufbau für hohe Genauigkeit

„Unsere Ergebnisse eröffnen eine neue Perspektive für die dynamische Aufnahme extrem schneller Prozesse“, sagen Piotr Ryczkowski und seine Kollegen von der University of Technology im finnischen Tampere. Grundlage des „Ghost Imaging“ war die Aufspaltung eines Laserstrahls in zwei infrarote Lichtsignale, die durch Glasfaserkabel geschickt wurden. Das erste Signal schwankte in seiner Intensität zufällig in Abständen von durchschnittlich 13 Picosekunden. Ohne auf das zu beobachtende Objekt – in diesem Fall eine schnelle Abfolge von optischen Impulsen aus einem Pulsgenerator – zu treffen, wurde dieses Signal mit einem schnell reagierenden Lichtsensor aufgezeichnet.

Das zweite Signal dagegen traf auf die zu analysierende Pulsfrequenz. Doch nach der Wechselwirkung zwischen Signal und Pulsfrequenz wurde es mit einem langsam reagierenden Detektor aufgezeichnet. Der Vorteil: Auch bei störender Lichtstreuung konnten immer noch Daten aufgezeichnet werden. Diese Daten erlaubten aber keine zeitliche Auflösung der optischen Impulse aus dem Pulsgenerator. Wurden nun beide Signale wieder zusammengeführt, konnte die Zeitstruktur des ersten Signals auf das ungenaue zweite Signal aufgeprägt werden. Das Ergebnis dieser Messung: Diese Signalkombination gab den exakten Verlauf der zu analysierenden Abfolge der optischen Impulse mit einer Genauigkeit von etwa 50 Picosekunden wieder.

Dieses Ziel zeitlich hoch aufgelöster Aufnahmen kann zwar auch allein mit schnell getakteten Laserpulsen erreicht werden. Doch bei einer stark lichtstreuenden Umgebung scheitern diese Nachweisverfahren. Das „Ghost Imaging“ dagegen ermöglicht auch bei widrigen Bedingungen zuverlässige und extrem genaue Messungen mit hoher zeitlicher Auflösung. Eine mögliche Anwendung sehen die Forscher bei der optischen Datenübertragung und der Fernerkundung.