Onderzoekers hebben een nieuwe beeldvormingsmethode onthuld die ultrakorte gebeurtenissen in de microscopische wereld met ongekend detail kan vastleggen. Deze processen, die zich afspelen op tijdschalen van honderden femtoseconden (een biljoenste van een seconde), waren traditioneel duivels moeilijk te bestuderen. De nieuwe techniek stelt wetenschappers echter in staat om deze snelle veranderingen met uitzonderlijke helderheid en snelheid te observeren.
"Op het gebied van natuurkunde, scheikunde, biologie en materiaalkunde gebeuren veel belangrijke fenomenen ongelooflijk snel," zei onderzoeksleider Yunhua Yao van de East China Normal University. "Onze nieuwe techniek kan de volledige evolutie van zowel de helderheid als de interne structuur van een object in één enkele meting vastleggen. Dit is een grote stap voorwaarts voor het begrijpen van de fundamentele aard van materie, het ontwerpen van nieuwe materialen en zelfs het ontrafelen van de mysteries van biologische processen."
Het team beschreef hun methode, bekend als gecomprimeerde spectraal-temporele coherente modulatie femtoseconde beeldvorming (CST-CMFI), in het tijdschrift Optica. Met dit systeem konden ze ultrakorte activiteiten volgen, zoals plasma dat zich vormt in water na een femtoseconde laserpuls en het gedrag van opgewonden ladingsdragers in een materiaal genaamd ZnSe.
"Naast het helpen van wetenschappers bij het bestuderen van materialen die onmiddellijk veranderen als reactie op laserlicht, chemische reacties die atomen op bliksemsnelheid herschikken en het dynamische gedrag van biomoleculen over ongelooflijk korte tijdschalen, zou CST-CMFI kunnen helpen bij het verbeteren van hoogvermogen lasertechnologieën die worden gebruikt voor schone energieonderzoek, geavanceerde productie en wetenschappelijke instrumentatie," zei Yao. "Het zou ook kunnen leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere elektronica, verbeterde zonnecellen en snellere apparaten door een beter begrip mogelijk te maken van hoe materialen zich gedragen op extreem snelle tijdschalen."
Meer vastleggen dan alleen een flits in de pan
Dit werk maakt deel uit van lopende inspanningen in het Extreme Optical Imaging Laboratory aan de East China Normal University. Een belangrijke focus is single-shot ultrakorte optische beeldvorming, die niet-herhaalbare gebeurtenissen in één enkele opname vastlegt. Eerdere technieken registreerden voornamelijk veranderingen in helderheid, of lichtintensiteit. Maar licht draagt ook fase-informatie, die onthult hoe het buigt of van snelheid verandert. De onderzoekers wilden zowel intensiteit als fase tegelijkertijd vastleggen, wat een completer beeld geeft.
Om dit te bereiken, combineerden ze tijd-spectrum mapping, compressieve spectrale beeldvorming en coherente modulatie beeldvorming. Het systeem gebruikt een gechirpte laserpuls die bestaat uit meerdere golflengten die op iets verschillende tijden aankomen, waardoor tijd effectief aan golflengte wordt gekoppeld. Wanneer de puls interageert met een snel veranderende gebeurtenis, draagt het verstrooide licht gedetailleerde ruimtelijke, spectrale en fase-informatie, die wordt gecomprimeerd tot één enkele afbeelding. Een fysica-geïnformeerd neuraal netwerk verwerkt deze gegevens vervolgens, scheidt golflengten en reconstrueert zowel intensiteit als fase in de loop van de tijd om een ultrakorte film te creëren uit één enkele opname.
Real-time beelden van plasma en elektronenfratsen
Bij tests onderzocht het team plasma dat in water werd gecreëerd door een femtoseconde laser, wat toepassingen zoals laser-gebaseerde medische procedures zou kunnen ondersteunen. De beeldvorming onthulde zowel helderheid- als faseveranderingen binnen het plasmakanaal, inclusief de vorming van een dicht vrij-elektronenplasma. Ze bestudeerden ook ladingsdragerdynamica in ZnSe om te begrijpen hoe elektrische ladingen bewegen nadat ze door licht zijn geëxciteerd, wat cruciaal is voor het verbeteren van optische en elektronische apparaten.
"Met CST-CMFI konden we fasevariaties zien die verband houden met de ladingsdragerdynamica, zelfs wanneer er geen significante veranderingen in intensiteit waren," zei Yao. "Dit benadrukt een belangrijk voordeel van onze methode: Fase-metingen kunnen veel gevoeliger zijn dan intensiteitsmetingen bij het detecteren van subtiele ultrakorte processen."
Toekomstplannen: Want zelfs een biljoenste van een seconde is niet snel genoeg
Vooruitkijkend zijn de onderzoekers van plan om de methode toe te passen om aanvullende fenomenen te bestuderen, zoals interface-dynamica en ultrakorte faseovergangen. Momenteel zet CST-CMFI spectrale informatie om in temporele informatie, wat het vermogen beperkt om processen te bestuderen die zeer gevoelig zijn voor spectrale veranderingen. Om dit aan te pakken, wil het team CST-CMFI combineren met compressieve ultrakorte fotografie, wat zou toestaan dat spectrale en temporele informatie afzonderlijk worden vastgelegd, waardoor de veelzijdigheid van de technologie aanzienlijk wordt uitgebreid.