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Leistungsstarke Technik bildet einzelne Ultrafast Ereignisse mit einer unglaublichen Bildwiederholrate von 1 Billion Bildern pro Sekunde ab

Überblick

Sequentially Timed All-optical Mapping Photography (STAMP) verwendet Astrella von Coherent, um Videoserien auf Zeitskalen von etwa 100 fs bis zu einigen wenigen ns aufzunehmen. Dies ermöglicht zum Beispiel die Untersuchung der Erzeugung und Ausbreitung von Terahertz-Wellen (Zeitskala ~100 fs), der Plasmadynamik bei der Laserablation (~1 ps) und von Stoßwellen in Wasser (~1 ns).

Astrella

Der Bedarf an einer Hochgeschwindigkeits-Bildgebungsmethode

Die traditionelle Methode zur Visualisierung von Phänomenen mit extrem hoher Geschwindigkeit ist der Pump-Probe-Ansatz. Bei dieser Technik wird ein Laserpuls verwendet, um die zu untersuchende Probe anzuregen. Ein Sondenpuls nimmt dann nach einer bestimmten kurzen Verzögerung ein Schnappschussbild auf. Anschließend wird ein Video aufgebaut, indem der Betrag dieser Verzögerung über eine Reihe von Aufnahmen sequentiell erhöht wird. Dies ist zwar eine nützliche und leistungsstarke Technik, aber sie eignet sich nur für die Abbildung sich wiederholender Ereignisse, die sich konsistent und gleichmäßig wiederholen, da bei jeder Anregung der Probe nur ein Schnappschuss gemacht werden kann.

Prof. Keiichi Nakagawa (Universität Tokio) leitet eine Gruppe, die verschiedene Forschungsprojekte verfolgt, die alle irgendwie mit der Interaktion von akustischen Wellen und Licht mit Materialien, insbesondere lebendem Gewebe, zu tun haben. Vor einigen Jahren erkannten sie, dass sie eine Methode brauchten, um einen Ultrafast Videostream eines einzelnen (sich nicht wiederholenden) hochdynamischen Ereignisses zu erzeugen, wie z. B. die Ausbreitung einer akustischen Wellenfront. Sie haben STAMP entwickelt, um diesen Bedarf zu decken [1].

Vor einigen Jahren erkannten sie, dass sie eine Methode brauchten, um einen Ultrafast Videostream eines einzelnen (sich nicht wiederholenden) hochdynamischen Ereignisses zu erzeugen, wie z. B. die Ausbreitung einer akustischen Wellenfront. Sie haben STAMP entwickelt, um diesen Bedarf zu decken.

 

Wie funktioniert das?

Die Grundprinzipien von STAMP sind in Abbildung 1 skizziert. STAMP nutzt die große spektrale Bandbreite und die reichliche Pulsenergie eines Coherent Astrella Ti:Saphir-Femtosekunden-Verstärkers. Zunächst wird der Femtosekundenpuls durch Laserchirpen gestreckt und/oder aufgeteilt, so dass die verschiedenen Wellenlängenkomponenten, die zur Beleuchtung der Probe verwendet werden, mit gestaffelten Verzögerungszeiten eintreffen. Nakagawa nennt diesen Teil „temporales Mapping“.

Nachdem sie die Probe durchquert haben, wird jeder Subpuls nach Wellenlänge getrennt und anschließend auf einen bestimmten Bereich eines (CCD- oder CMOS-) Kamera-Arrays gerichtet. Jede Region wird somit zu einem separaten Videobild. Auf diese Weise wirken die Laserpulse und die Erkennung wie ein schnelles Blitzlicht und ein Abbildungsgerät.

Figure 1

Abbildung 1: STAMP teilt den Laserpuls in Subpulse mit unterschiedlichen Wellenlängen (und damit Zeitverzögerungen) auf. Nach der Beleuchtung des Ziels werden die Subpulse getrennt und auf einem Kamera-Array aufgezeichnet [1].

 

Ausweitung der STAMP-Leistung

Seit der Entwicklung der Technik hat die Gruppe um Nakagawa STAMP kontinuierlich weiterentwickelt, um seine Möglichkeiten auf drei Arten zu erweitern. Ein Weg zur Erweiterung ist die Entwicklung cleverer Techniken für die zeitliche Zuordnung von Pulsen. Ursprünglich verließen sie sich auf die natürliche Dispersion in einem Glasstab oder einer Glasfaser, um ein zeitliches Mapping zu erreichen. Aber das begrenzt die Zeitskala des Videos auf Ereignisse im Pikosekundenbereich oder schneller.

Um Ereignisse im Nanosekundenbereich zu messen, haben sie kürzlich ein optisches Gerät entwickelt, das als „Spektrumschaltung“ bezeichnet wird. Bei diesem Ansatz werden die Lichtpulse räumlich gechirpt und dann eingefangen, indem sie einen von vier Spiegeln geschaffenen Pfad durchlaufen – siehe Abbildung 2. Die Anzahl der Runden, die das Licht macht, bevor es entweicht, hängt von der Wellenlänge ab. Jede Runde setzt also einen Subpuls mit einer längeren Wellenlänge als die vorherige frei. Dies ergibt einen Strom von Subpulsen auf der Zeitskala von Nanosekunden.

Sie haben auch an der räumlichen Kartierung von STAMP gearbeitet. Sie haben zum Beispiel einen cleveren Mehrfachspiegel erfunden, den sie „Slicing Mirror“ nennen. Damit können sie ein 3X3-Muster von Subpulsen auf jede der beiden Kameras abbilden und so insgesamt 18 Bilder mit hoher räumlicher Pixelauflösung aufnehmen.

Darüber hinaus hat die Gruppe um Nakagawa das Mehrfarben-STAMP entwickelt, ein völlig neues Konzept der Ultrafast Single-Shot-Bildgebung. In einer Version, genannt Zweifarben-STAMP, erzeugen sie Pulse mit der zweiten Harmonischen eines Coherent Astrella Ti:Saphir Femtosekunden-Verstärkers und verwenden diese 400 nm Subpulse in Verbindung mit den fundamentalen 800 nm Subpulsen, um ihre Technik auszuführen. Mit diesem Verfahren können sie „Farbbilder“ von Ultrafast Phänomenen aufnehmen und so eine noch nie dagewesene schnelle spektrale Bildgebung ermöglichen.

Figure 2

Abbildung 2: Die Spektrumschaltung ist so aufgebaut, dass die Anzahl der Runden und damit die Verzögerung von der Wellenlänge des Pulses abhängt [2].

 

Einige von STAMP abgebildete Prozesse

Die Gruppe um Nakagawa hat STAMP eingesetzt, um Prozesse in so unterschiedlichen Bereichen wie der industriellen Materialbearbeitung und den Biowissenschaften zu untersuchen.

Terahertz-Wellen (THz) sind elektromagnetische Wellen mit einem breiten Spektrum an potenziellen Anwendungen in Bereichen wie der Materialwissenschaft, Biotechnologie und Medizin, elektronischen Geräten und der Umwelt. Ultrakurzpulslaser (USP) werden häufig zur Erzeugung intensiver ultrakurzer THz-Wellen eingesetzt. Da dieses Phänomen auf einer ultrakurzen Zeitskala auftritt, wurde es bisher nur durch wiederholte Bildgebung mit der zeitaufgelösten Pump-Probe-Methode beobachtet.

Mit Hilfe von STAMP gelang es der Gruppe um Nakagawa erstmals, den Moment der Erzeugung von THz-Wellen als bewegtes Bild zu erfassen, indem sie ultrakurze Pulse in einen ferroelektrischen Kristall leiteten und die damit verbundene Ultrafast Dynamik beobachteten.

Abbildung 3 zeigt die Erzeugung und Ausbreitung von THz-Wellen, die mit 4,4 Tfps aufgenommen wurden. Zu Beginn werden die Gitterschwingungen zufällig angeregt, aber allmählich werden sie phasengleich und erzeugen ein einziges Wellenpaket. Die Welle breitet sich im Kristall mit etwa einem Sechstel der Lichtgeschwindigkeit aus. Die aufeinanderfolgenden Bilder zeigen, dass die Wellen elektromagnetischer Natur sind und eine Wellenlänge im Terahertz-Bereich haben.

Figure 3

Abbildung 3: Sequenzen von STAMP-Bildern, die die Strahlung von Terahertz-Wellen (THz) visualisieren, wenn ein einzelner USP-Laserpuls Gitterschwingungen in einem ferroelektrischen Kristall anregt [1].

Ablation mit USP-Laserpulsen

Ultrakurzpulslaser mit Pikosekunden- und Femtosekundenleistung werden zunehmend für die Präzisionsmikromaterialbearbeitung eingesetzt. Die Anwendungen umfassen das Bohren, Ritzen und Beschriften von Produkten, von medizinischen Geräten bis hin zu Smartphone-Komponenten. Der Hauptgrund ist, dass die USP-Bearbeitung eine höhere Präzision liefert, als dies mit länger gepulsten Lasern möglich ist. Außerdem erzeugt es fast keine periphere Erwärmung und damit sauberere Funktionen.

Diese Vorteile sind zwar vielfach dokumentiert, aber niemand hat wirklich herausgefunden, wie sie im Einzelnen entstehen. Die Gruppe um Nakagawa hat nun STAMP eingesetzt, um einzigartige Daten in diese Debatte einzubringen. Sie haben die abtragende Wirkung eines einzelnen 35 fs-Laserpulses auf ein Glastarget abgebildet.

Für diese Anwendung konfigurierten sie ihre zweifarbige STAMP-Einrichtung für eine effektive Bildwiederholrate von >1 Tfps. Abbildung 4 zeigt einige Bilder aus dieser Arbeit. Aus den ursprünglichen zweifarbigen Bildern wurde die Karte der Elektronendichte erstellt. Diese Daten ermöglichten es dem Team, die Größe, Form, Geschwindigkeit und Elektronendichteverteilung der durch den ablativen Laserpuls ausgestoßenen Plasmafahne zu kartieren.

Figure 4

Abbildung 4: Eine Sequenz von STAMP-Bildern, die die ausgestoßene Plasmafahne visualisieren, wenn ein einzelner USP-Laserpuls Glas abträgt [3].

 

Ausbreitung von Stoßwellen in Wasser

Auf einer viel langsameren Zeitskala nutzte die Gruppe den optischen Schaltkreis und den Verzweigungsansatz, um eine Schockwelle abzubilden, die durch einen in Wasser fokussierten Laserpuls erzeugt wird. Nakagawa erklärt, dass die Wechselwirkung von Ultraschall und Laserleistung mit lebendem Gewebe für die medizinische Therapie, die Bildgebung und die biowissenschaftliche Forschung von großer Bedeutung ist. (Und Wasser ist der Hauptbestandteil von lebendem Gewebe.)

Wie in Abbildung 5 gezeigt, haben sie die Ausbreitung der Schockwellenfront kartiert. Der Graustufenkontrast der Bilder zeigt die Intensität der Schockwelle an. Die Gruppe um Nakagawa versucht nun, die Wechselwirkungen von Schocks mit biologischen Zellen durch die Beobachtung dieser dynamischen Ereignisse, die von STAMP erfasst werden, aufzuklären.

Figure 5

Abbildung 5: STAMP-Bilder der Ausbreitung einer Stoßwellenfront in Wasser, angeregt durch einen einzelnen Laserpuls [4].

 

Warum Coherent Astrella?

Professor Nakagawa führt mehrere Vorteile des Astrella an, die es zu einer perfekten Ergänzung für seine STAMP-Studien machen. Er merkt an: „Was die Leistung angeht, so liefert Astrella einen hochwertigen Ausgangsstrahl, was wichtig ist, da die Strahlqualität sich direkt auf die Bildqualität auswirkt. Die große spektrale Bandbreite von Astrella vereinfacht die Aufgabe, mehrere Subpulse zu erzeugen, und sie bedeutet auch, dass wir die Pulse bei Bedarf auf etwa 35 fs komprimieren können. Die hohe Pulsenergie (7 mJ) ist ein weiterer entscheidender Vorteil, denn wir modulieren den Ausgang zeitlich und räumlich als STAMP-Pulse (mit optischen Verlusten) und verwenden einen Teil der Pulsenergie auch zur Erzeugung von SHG-Pulsen für zweifarbige STAMP. Und natürlich nutzen wir einen Teil des Pulses, um die exotischen Phänomene anzuregen, die wir abbilden wollen.“

Professor Nakagawa nennt auch mehrere praktische Vorteile, darunter die Tatsache, dass Astrella ein One-Box-Laser ist, der sehr handlich ist. Diese einfache Bedienung ist entscheidend, denn der Laser ist nur eine Komponente in einem viel komplexeren Instrument. Er merkt an: „Der gebrauchsfertige Einsatz bedeutet, dass niemand, der STAMP verwendet, ein Laserexperte sein muss, um diese Technik voll auszunutzen. Es ist lediglich eine Lichtquelle, die sie über eine einfache Benutzeroberfläche steuern können, um genau die Leistung zu erhalten, die sie benötigen. Ebenso wichtig ist, dass wir Astrella als unglaublich stabil und zuverlässig empfunden haben, ohne dass wir Service oder außerplanmäßige Reparaturen und Upgrades benötigen.“

Er fasst zusammen: „Ja, wir mögen diesen Laser wirklich.“

„Astrella liefert einen qualitativ hochwertigen Ausgangsstrahl, was wichtig ist, da sich die Strahlqualität direkt auf die Bildqualität auswirkt. Die große spektrale Bandbreite von Astrella vereinfacht die Aufgabe, mehrere Subpulse zu erzeugen, und sie bedeutet auch, dass wir die Pulse bei Bedarf auf etwa 35 fs komprimieren können.

– Keiichi Nakagawa, Assistenzprofessor
Universität Tokio

Zusammenfassung

Das Labor von Nakagawa hat diese einzigartige Methode entwickelt, um durch den Erhalt von Hochgeschwindigkeitsvideos von einzelnen Ereignissen ihre Forschung zu unterstützen. Dank der kontinuierlichen Innovation und der einfachen Bedienung von Astrella ist es jetzt eine flexible und einfach zu handhabende Technik geworden. Dies macht sie für andere, die wissenschaftliche Bildgebung aller Arten – von schnellen dynamischen Ereignissen im Bereich von Femtosekunden bis Nanosekunden durchführen – breit einsetzbar.

Referenzen

[1] K. Nakagawa et al., „Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP).“ Nature Photonics 8, 695–700 (2014).
[2] T. Saiki et al., „Spectrum circuit for producing spectrally separated nanosecond pulse train in free space.“ CLEO 2020, Online, Mai 2020.
[3] K. Shimada et al., „Electron density imaging of ultrafast plasma dynamics with two-color STAMP.“ ALPS2021, Online, April 2021.
[4] T. Saiki et al., „Nanosecond single-shot imaging system with a picosecond exposure time for monitoring the shock wave effects on cells.“ Symposium on Shock Waves in Japan, Online, März 2021.

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