Tomographie mit nur einem Laserblitz

Berkeley (USA) – Nicht nur in der Medizin, sondern auch in den Materialwissenschaften, der Physik und der Geologie sind Computertomographien zu einem unerlässlichen Hilfsmittel geworden. Kalifornische Forscher haben nun im Fachblatt „Nature Communications“ eine neue Methode vorgestellt, durch die Aufteilung eines Breitband-Laserstrahls ein tomographisches Bild mit nur einem einzigen kurzen Laserpuls zu erzeugen. Dadurch können sie extrem schnelle Aufnahmen mit einer zeitlichen Auflösung von nur wenigen billionstel Sekunden machen.

„Wir können mit unserer Methode die Position und Struktur einzelner Plasmafäden auflösen, und wir können die Anzahl und Position mehrerer Fäden mit nur einer einzigen, kurzen Belichtung aufnehmen“, berichtet Nicholas Matlis vom Lawrence Berkeley National Laboratory. Diese Plasmafäden sind nur einige Dutzend Mikrometer dick und werden ebenfalls durch einen Laserblitz erzeugt. Damit rückt die Abbildung ultraschneller Prozesse in die Reichweite der Tomographie. Zur Zeit nach ihrer Entwicklung 1968 benötigten Computertomographien noch Tage bis zum fertigen Bild. Mittlerweile machen sie in der Medizin, vor allem in der Kardiologie, bis zu zehn Bilder pro Sekunde, da die mechanischen Komponenten keine schnellere Bildfolge zulassen. Ohne diese Einschränkungen und mit nichtmechanischen Verfahren erreicht man bis zu 10.000 Bilder pro Sekunde. Bei sehr schnellen Objekten stoßen herkömmliche Verfahren aber an ihre Grenzen. Abhilfe versprechen sich die Forscher nun vom sogenannten spektralen Multiplexing.

Eine schematische Darstellung, in der Licht auf eine Probe trifft, zwei Linsen und einen Pumplaser passiert und nach Farben aufgeteilt weiter zum Spektrometer läuft.
Schema des Versuchsaufbaus

Der belichtende Breitband-Laserstrahl wird hierbei über ein Gitter vor dem Objekt in verschiedene Wellenlängen aufgespaltet, auf das Objekt gelenkt und schließlich in einem Spektrometer analysiert. In den Bilddaten sind durch das Multiplexing genug Informationen enthalten, um das Objekt anschließend rekonstruieren zu können. Damit konnten die Forscher mit nur einem einzigen kurzen Lichtimpuls auch ultraschnelle Bewegungen aufnehmen. Sie testeten ihr Verfahren an kurzlebigen, laserinduzierten Plasmafäden, die sie ebenfalls mit Laserpulsen erzeugten. Mit ihrer Methode konnten die Forscher sowohl einzelne Plasmafäden sichtbar machen also auch zwei dicht hintereinander liegende Fäden auflösen.

Mit der neuen Technik verbinden die Forscher große Hoffnungen, da sie auf einem sehr allgemeinen Konzept basiert und in vielerlei Hinsicht optimiert werden kann. Durch einen größeren Einstrahlungswinkel und bessere Optiken ließe sich die Auflösung verbessern. Außerdem steht das Verfahren auch unterschiedlichen Wellenlängen offen, von Radiowellen bis hin zur Röntgenstrahlung. Im Prinzip könnte man es auch mit Elektronen oder Ultraschall nutzen. Außerdem sehen die Forscher die Möglichkeit, durch strahlendurchlässige, aber stark streuende Wände hindurch zu sehen. Dank der spektralen Auftrennung des Lichtes sind auch bei gestreutem Licht prinzipiell noch genug Informationen im Licht erhalten, um hinter einer solchen Wand liegende Objekte zu erkennen.