Forscher haben eine neue Bildgebungsmethode vorgestellt, die ultraschnelle Ereignisse in der mikroskopischen Welt mit beispielloser Detailgenauigkeit einfangen kann. Diese Prozesse, die sich auf Zeitskalen von Hunderten von Femtosekunden (einer Billionstel Sekunde) abspielen, waren traditionell höllisch schwer zu untersuchen. Die neue Technik ermöglicht es Wissenschaftlern jedoch, diese rasanten Veränderungen mit außergewöhnlicher Klarheit und Geschwindigkeit zu beobachten.
„In den Bereichen Physik, Chemie, Biologie und Materialwissenschaften geschehen viele wichtige Phänomene unglaublich schnell“, sagte der Forschungsleiter Yunhua Yao von der East China Normal University. „Unsere neue Methode kann die vollständige Entwicklung sowohl der Helligkeit als auch der inneren Struktur eines Objekts in einer einzigen Messung erfassen. Das ist ein großer Schritt vorwärts für das Verständnis der grundlegenden Natur der Materie, die Entwicklung neuer Materialien und sogar die Entschlüsselung der Geheimnisse biologischer Prozesse.“
Das Team beschrieb seine Methode, bekannt als komprimierte spektral-zeitliche kohärente Modulations-Femtosekunden-Bildgebung (CST-CMFI), in der Fachzeitschrift Optica. Mit diesem System konnten sie ultraschnelle Aktivitäten verfolgen, wie etwa die Bildung von Plasma in Wasser nach einem Femtosekunden-Laserpuls und das Verhalten angeregter Ladungsträger in einem Material namens ZnSe.
„Abgesehen davon, dass es Wissenschaftlern hilft, Materialien zu untersuchen, die sofort auf Laserlicht reagieren, chemische Reaktionen, die Atome mit Blitzgeschwindigkeit umordnen, und das dynamische Verhalten von Biomolekülen über unglaublich kurze Zeitskalen, könnte CST-CMFI auch dazu beitragen, Hochleistungslasertechnologien für die Forschung an sauberer Energie, fortschrittliche Fertigung und wissenschaftliche Instrumente zu verbessern“, sagte Yao. „Es könnte auch zur Entwicklung effizienterer Elektronik, verbesserter Solarzellen und schnellerer Geräte führen, indem es ein besseres Verständnis dafür ermöglicht, wie sich Materialien bei extrem schnellen Zeitskalen verhalten.“
Mehr als nur ein kurzer Blitz
Diese Arbeit ist Teil der laufenden Bemühungen im Extreme Optical Imaging Laboratory an der East China Normal University. Ein Schwerpunkt ist die Einzelschuss-Ultraschnellbildgebung, die nicht wiederholbare Ereignisse in einer einzigen Aufnahme einfängt. Bisherige Techniken zeichneten hauptsächlich Veränderungen der Helligkeit oder Lichtintensität auf. Aber Licht trägt auch Phaseninformationen, die zeigen, wie es sich biegt oder seine Geschwindigkeit ändert. Die Forscher machten sich daran, sowohl Intensität als auch Phase gleichzeitig zu erfassen und so ein vollständigeres Bild zu liefern.
Um dies zu erreichen, kombinierten sie Zeit-Spektrum-Mapping, komprimierte Spektralbildgebung und kohärente Modulationsbildgebung. Das System verwendet einen gechirpten Laserpuls, der aus mehreren Wellenlängen besteht, die zu leicht unterschiedlichen Zeiten eintreffen und so effektiv Zeit mit Wellenlänge verknüpfen. Wenn der Puls mit einem sich schnell verändernden Ereignis interagiert, trägt das gestreute Licht detaillierte räumliche, spektrale und Phaseninformationen, die in ein einzelnes Bild komprimiert werden. Ein physikinformiertes neuronales Netz verarbeitet dann diese Daten, trennt die Wellenlängen und rekonstruiert sowohl Intensität als auch Phase über die Zeit, um aus einem einzigen Schuss einen ultraschnellen Film zu erstellen.
Echtzeit-Einblicke in Plasma und Elektronen-Späße
Bei Tests untersuchte das Team Plasma, das in Wasser durch einen Femtosekunden-Laser erzeugt wurde und Anwendungen wie laserbasierte medizinische Verfahren unterstützen könnte. Die Bildgebung zeigte sowohl Helligkeits- als auch Phasenänderungen innerhalb des Plasmakanals, einschließlich der Bildung eines dichten freien Elektronenplasmas. Sie untersuchten auch Ladungsträgerdynamik in ZnSe, um zu verstehen, wie sich elektrische Ladungen bewegen, nachdem sie durch Licht angeregt wurden – entscheidend für die Verbesserung optischer und elektronischer Geräte.
„Mit CST-CMFI konnten wir Phasenvariationen im Zusammenhang mit der Ladungsträgerdynamik sehen, selbst wenn es keine signifikanten Intensitätsänderungen gab“, sagte Yao. „Dies unterstreicht einen entscheidenden Vorteil unserer Methode: Phasenmessungen können bei der Erkennung subtiler ultraschneller Prozesse viel empfindlicher sein als Intensitätsmessungen.“
Zukunftspläne: Denn selbst eine Billionstel Sekunde ist nicht schnell genug
In Zukunft planen die Forscher, die Methode zur Untersuchung weiterer Phänomene wie Grenzflächendynamik und ultraschnelle Phasenübergänge einzusetzen. Derzeit wandelt CST-CMFI spektrale Informationen in zeitliche Informationen um, was seine Fähigkeit einschränkt, Prozesse zu untersuchen, die stark auf spektrale Veränderungen reagieren. Um dies zu beheben, strebt das Team an, CST-CMFI mit komprimierter Ultraschnellfotografie zu kombinieren, was es ermöglichen würde, spektrale und zeitliche Informationen getrennt zu erfassen und die Vielseitigkeit der Technologie erheblich zu erweitern.