연구자들이 미시 세계에서 초고속으로 일어나는 사건들을 전례 없는 세부 사항으로 포착할 수 있는 새로운 이미징 방법을 공개했습니다. 수백 펨토초(1조 분의 1초)의 시간 규모에서 펼쳐지는 이러한 과정들은 전통적으로 악마처럼 연구하기 어려웠습니다. 그러나 새로운 기술은 과학자들이 이러한 급격한 변화를 예외적인 선명도와 속도로 관찰할 수 있게 해줍니다.

"물리학, 화학, 생물학 및 재료 과학 분야에서 많은 중요한 현상이 믿을 수 없을 정도로 빠르게 일어납니다,"라고 동화사범대학의 연구팀 리더 야오 윈화가 말했습니다. "우리의 새로운 기술은 단일 측정에서 물체의 밝기와 내부 구조의 완전한 진화를 포착할 수 있습니다. 이는 물질의 근본적인 본성을 이해하고, 새로운 재료를 설계하며, 심지어 생물학적 과정의 신비를 밝히는 데 큰 진전입니다."

연구팀은 저널 Optica에 압축 스펙트럼-시간 일관성 변조 펨토초 이미징(CST-CMFI)으로 알려진 그들의 방법을 설명했습니다. 이 시스템을 사용하여 그들은 펨토초 레이저 펄스 후 물에서 형성되는 플라즈마와 ZnSe라는 재료에서 들뜬 전하 운반자의 행동과 같은 초고속 활동을 추적할 수 있었습니다.

"레이저 빛에 즉각적으로 반응하는 재료, 번개처럼 빠른 속도로 원자를 재배열하는 화학 반응, 그리고 믿을 수 없을 정도로 짧은 시간 규모에서 생체 분자의 동적 행동을 과학자들이 연구하는 데 도움을 주는 것 이상으로, CST-CMFI는 청정 에너지 연구, 첨단 제조 및 과학 기기에 사용되는 고출력 레이저 기술을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다,"라고 야오가 말했습니다. "또한 재료가 극도로 빠른 시간 규모에서 어떻게 행동하는지 더 잘 이해함으로써 더 효율적인 전자 제품, 개선된 태양 전지 및 더 빠른 장치의 개발로 이어질 수 있습니다."

순간적인 섬광 이상을 포착하다

이 작업은 동화사범대학의 극한 광학 이미징 연구소에서 진행 중인 노력의 일부입니다. 주요 초점은 단일 노출에서 반복되지 않는 사건을 포착하는 단일 샷 초고속 광학 이미징입니다. 과거 기술은 주로 밝기 또는 빛의 강도 변화를 기록했습니다. 그러나 빛은 또한 굴절되거나 속도가 변하는 방식을 드러내는 위상 정보를 운반합니다. 연구자들은 강도와 위상을 동시에 포착하여 더 완전한 그림을 제공하기 위해 노력했습니다.

이를 달성하기 위해 그들은 시간-스펙트럼 매핑, 압축 스펙트럼 이미징 및 일관성 변조 이미징을 결합했습니다. 이 시스템은 약간 다른 시간에 도착하는 여러 파장으로 구성된 처프 레이저 펄스를 사용하여 시간을 파장에 효과적으로 연결합니다. 펄스가 빠르게 변화하는 사건과 상호작용할 때, 산란된 빛은 상세한 공간, 스펙트럼 및 위상 정보를 운반하며, 이는 단일 이미지로 압축됩니다. 그런 다음 물리 정보 신경망이 이 데이터를 처리하여 파장을 분리하고 시간에 따른 강도와 위상을 재구성하여 단일 샷에서 초고속 영화를 생성합니다.

플라즈마와 전자 장난의 실시간 관찰

테스트에서 연구팀은 레이저 기반 의료 절차와 같은 응용 분야를 지원할 수 있는 펨토초 레이저에 의해 물에서 생성된 플라즈마를 조사했습니다. 이미징은 플라즈마 채널 내에서 밀집된 자유 전자 플라즈마의 형성을 포함한 밝기와 위상 변화를 모두 드러냈습니다. 그들은 또한 광학 및 전자 장치를 개선하는 데 중요한 빛에 의해 들뜬 후 전하가 어떻게 이동하는지 이해하기 위해 ZnSe에서 운반자 역학을 연구했습니다.

"CST-CMFI를 사용하여 우리는 강도에 중대한 변화가 없을 때도 운반자 역학과 관련된 위상 변화를 볼 수 있었습니다,"라고 야오가 말했습니다. "이는 우리 방법의 주요 장점을 강조합니다: 위상 측정은 미묘한 초고속 과정을 감지하는 데 강도 측정보다 훨씬 더 민감할 수 있습니다."

미래 계획: 1조 분의 1초조차 충분히 빠르지 않기 때문에

앞으로 연구자들은 계면 역학 및 초고속 상전이와 같은 추가 현상을 연구하기 위해 이 방법을 적용할 계획입니다. 현재 CST-CMFI는 스펙트럼 정보를 시간 정보로 변환하여 스펙트럼 변화에 매우 민감한 과정을 연구하는 능력을 제한합니다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 CST-CMFI와 압축 초고속 사진술을 결합하여 스펙트럼과 시간 정보를 별도로 포착할 수 있게 하여 기술의 다용도성을 크게 확장하는 것을 목표로 하고 있습니다.