Les chercheurs ont dévoilé une nouvelle méthode d'imagerie capable de capturer des événements ultrarapides dans le monde microscopique avec un détail sans précédent. Ces processus, qui se déroulent à des échelles de temps de centaines de femtosecondes (un billionième de seconde), ont traditionnellement été diablement difficiles à étudier. La nouvelle technique permet cependant aux scientifiques d'observer ces changements rapides avec une clarté et une vitesse exceptionnelles.
« Dans les domaines de la physique, de la chimie, de la biologie et de la science des matériaux, de nombreux phénomènes importants se produisent incroyablement vite », a déclaré Yunhua Yao, chef de l'équipe de recherche de l'Université normale de Chine orientale. « Notre nouvelle technique peut capturer l'évolution complète de la luminosité et de la structure interne d'un objet en une seule mesure. C'est un grand pas en avant pour comprendre la nature fondamentale de la matière, concevoir de nouveaux matériaux et même percer les mystères des processus biologiques. »
L'équipe a décrit sa méthode, connue sous le nom d'imagerie femtoseconde par modulation cohérente spectro-temporelle compressée (CST-CMFI), dans la revue Optica. En utilisant ce système, ils ont pu suivre des activités ultrarapides telles que la formation de plasma dans l'eau après une impulsion laser femtoseconde et le comportement des porteurs de charge excités dans un matériau appelé ZnSe.
« Au-delà d'aider les scientifiques à étudier les matériaux qui changent instantanément en réponse à la lumière laser, les réactions chimiques qui réarrangent les atomes à la vitesse de l'éclair et le comportement dynamique des biomolécules sur des échelles de temps incroyablement courtes, la CST-CMFI pourrait contribuer à améliorer les technologies laser de haute puissance utilisées pour la recherche sur l'énergie propre, la fabrication avancée et l'instrumentation scientifique », a déclaré Yao. « Elle pourrait également conduire au développement d'électroniques plus efficaces, de cellules solaires améliorées et d'appareils plus rapides en permettant une meilleure compréhension du comportement des matériaux à des échelles de temps extrêmement rapides. »
Capturer plus qu'un simple feu de paille
Ce travail fait partie des efforts continus du Laboratoire d'imagerie optique extrême de l'Université normale de Chine orientale. Un axe clé est l'imagerie optique ultrarapide en un seul tir, qui capture des événements non répétables en une seule exposition. Les techniques passées enregistraient principalement les changements de luminosité, ou d'intensité lumineuse. Mais la lumière transporte également des informations de phase, qui révèlent comment elle se courbe ou change de vitesse. Les chercheurs se sont donné pour mission de capturer simultanément l'intensité et la phase, offrant ainsi une image plus complète.
Pour y parvenir, ils ont combiné la cartographie temps-spectre, l'imagerie spectrale compressive et l'imagerie par modulation cohérente. Le système utilise une impulsion laser chirpée composée de multiples longueurs d'onde qui arrivent à des moments légèrement différents, reliant ainsi efficacement le temps à la longueur d'onde. Lorsque l'impulsion interagit avec un événement à évolution rapide, la lumière diffusée transporte des informations spatiales, spectrales et de phase détaillées, qui sont compressées en une seule image. Un réseau neuronal informé par la physique traite ensuite ces données, séparant les longueurs d'onde et reconstruisant à la fois l'intensité et la phase au fil du temps pour créer un film ultrarapide à partir d'un seul tir.
Vues en temps réel du plasma et des espiègleries des électrons
Lors des tests, l'équipe a examiné le plasma créé dans l'eau par un laser femtoseconde, ce qui pourrait soutenir des applications comme les procédures médicales basées sur le laser. L'imagerie a révélé à la fois les changements de luminosité et de phase dans le canal de plasma, y compris la formation d'un plasma dense d'électrons libres. Ils ont également étudié la dynamique des porteurs dans le ZnSe pour comprendre comment les charges électriques se déplacent après avoir été excitées par la lumière, ce qui est crucial pour améliorer les dispositifs optiques et électroniques.
« En utilisant la CST-CMFI, nous avons pu voir les variations de phase associées à la dynamique des porteurs, même lorsqu'il n'y avait pas de changements significatifs d'intensité », a déclaré Yao. « Cela met en évidence un avantage clé de notre méthode : les mesures de phase peuvent être beaucoup plus sensibles que les mesures d'intensité pour détecter des processus ultrarapides subtils. »
Plans futurs : parce que même un billionième de seconde n'est pas assez rapide
À l'avenir, les chercheurs prévoient d'appliquer la méthode pour étudier des phénomènes supplémentaires comme la dynamique des interfaces et les transitions de phase ultrarapides. Actuellement, la CST-CMFI convertit les informations spectrales en informations temporelles, ce qui limite sa capacité à étudier les processus très sensibles aux changements spectraux. Pour remédier à cela, l'équipe vise à combiner la CST-CMFI avec la photographie ultrarapide compressive, ce qui permettrait de capturer séparément les informations spectrales et temporelles, élargissant ainsi considérablement la polyvalence de la technologie.