Revolutionäres Ghost Imaging verbessert Präzision atmosphärischer Gasmessungen

• Neue Ghost-Imaging-Methode misst, welches Gas in der Atmosphäre in welcher Menge vorhanden ist – mit weit besserer Genauigkeit.
• Benötigt keine extrem empfindlichen Detektoren und starken Lichtquellen.

Messung von Treibhausgasen in der Atmosphäre (CO₂, Methan, Ozon, Lachgas) ist entscheidend, um zu verstehen, wie veränderte Mengen das Klima beeinflussen. Gemessen wird entweder kontinuierlich per stationärer Geräte und Satelliten, die aktuelle Konzentrationen überwachen, oder durch Luftproben in Flaschen mit anschließender Laboranalyse.

Ein Team der University of Eastern Finland, Tampere University of Technology und University of Burgundy (Frankreich) entwickelte nun neuen Ansatz für spektroskopische Messungen verschiedener Gasmoleküle: Ghost Imaging Technik.

Im Vergleich zu bestehenden Imaging-Techniken deckt dieser Ansatz chemische Zusammensetzung eines Gasmoleküls mit weit besserer Genauigkeit auf. In manchen Fällen ermöglicht er sensitivere Identifikation von Treibhausgasen.

Funktionsweise

Ghost Imaging arbeitet über breiten Wellenlängenbereich, verbessert Monitoring atmosphärischer Gase inkl. Methan und CO₂. Es nutzt Superkontinuum-Lichtquelle (emittiert Pulse mit mehreren Wellenlängen) zur Abbildung wellenlängenbasierten Lichts, das durch Luftproben übertragen wird, und misst spektralen Fingerabdruck eines Gasmoleküls mit Subnanometer-Auflösung.

Diese Technik erzeugt Bilder durch Korrelation der Intensität zweier verschiedener Strahlen, die keine Objektform-Daten enthalten, aber indirekte Rückschlüsse auf Eigenschaften zulassen. In Extremsituationen kann sie Verzerrungen (nicht alle) konventioneller Imaging-Systeme entfernen und gestörte Signale im Pikosekundenbereich (10⁻¹² s) wiederherstellen.

Da Gasmolekülemostly gestreut sind, verändern sie das transmittierte Licht nur minimal. Daher braucht man sehr sensitive Instrumente und starke Lichtquellen zur Detektion.

Referenz: The Optical Society | doi:10.1364/OL.43.005025

Im Gegensatz zu konventionellen Imaging-Methoden, die Signale einzelner Wellenlängen identifizieren, detektiert Ghost Imaging ein integriertes Signal aus mehreren Wellenlängen. Daher funktioniert es auch dort, wo extrem sensitive Detektoren und starke Lichtquellen nicht verfügbar sind.

Konkret: Es erzeugt ein Spektralbild (mit Reflexions-/Transmissionsspektrum eines Objekts) durch Korrelation zweier Strahlen: Erster Strahl kodiert zufälliges Muster als Sondierungsreferenz, zweiter beleuchtet Probe. Für Referenz zur Erzeugung spektraler „Ghost Images“ nutzten Autoren zufällige Fluktuationen zwischen aufeinanderfolgenden Puls-Spektren.

Bildnachweis: NASA

Dann wird der durch Probe transmittierte Strahl via Detektor ohne spektrale Auflösung analysiert. Nach Korrelation mit Referenz-Spektralfluktuationen erhielten sie klaren Blick auf Spektralbild.

Test

Zum Test nutzten sie die Technik für Spektralbild von Methangas. Es reproduzierte präzise die Folge diskreter Absorptionslinien, die Methan identifizieren. Vergleich mit traditioneller Direktspektroskopie: Ergebnisse beider Techniken stimmten gut überein.

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Autoren experimentieren derzeit mit vorprogrammierbaren Lichtquellengeräten zur Steuerung spektraler Fluktuationen. Dies würde Referenzspektralmessungen überflüssig machen. Auch versuchen sie, Technologie mit Optical Coherence Tomography Setup zu integrieren, um sensible Daten aus biologischen Proben (Gewebe) ohne schädliche Strahlung zu extrahieren.