Badacze zaprezentowali nową metodę obrazowania, która może rejestrować ultraszybkie zdarzenia w mikroskopijnym świecie z niespotykaną dotąd szczegółowością. Procesy te, rozgrywające się w skalach czasowych setek femtosekund (biliardowej części sekundy), tradycyjnie były piekielnie trudne do zbadania. Nowa technika pozwala jednak naukowcom obserwować te błyskawiczne zmiany z wyjątkową przejrzystością i szybkością.

„W dziedzinach fizyki, chemii, biologii i nauki o materiałach wiele ważnych zjawisk zachodzi niewiarygodnie szybko” – powiedział lider zespołu badawczego Yunhua Yao z East China Normal University. „Nasza nowa technika może uchwycić pełną ewolucję zarówno jasności, jak i wewnętrznej struktury obiektu w pojedynczym pomiarze. To duży krok naprzód w zrozumieniu fundamentalnej natury materii, projektowaniu nowych materiałów, a nawet odkrywaniu tajemnic procesów biologicznych.”

Zespół opisał swoją metodę, znaną jako skompresowana spektralno-czasowa koherentna modulacja obrazowania femtosekundowego (CST-CMFI), w czasopiśmie Optica. Korzystając z tego systemu, byli w stanie śledzić ultraszybkie aktywności, takie jak tworzenie się plazmy w wodzie po impulsie lasera femtosekundowego oraz zachowanie wzbudzonych nośników ładunku w materiale zwanym ZnSe.

„Poza pomocą naukowcom w badaniu materiałów, które natychmiast reagują na światło lasera, reakcji chemicznych przestawiających atomy z błyskawiczną prędkością oraz dynamicznego zachowania biomolekuł w niewiarygodnie krótkich skalach czasowych, CST-CMFI może pomóc w ulepszeniu technologii laserów dużej mocy stosowanych w badaniach nad czystą energią, zaawansowanej produkcji i instrumentacji naukowej” – powiedział Yao. „Może również prowadzić do rozwoju bardziej wydajnej elektroniki, ulepszonych ogniw słonecznych i szybszych urządzeń, umożliwiając lepsze zrozumienie, jak materiały zachowują się w ekstremalnie szybkich skalach czasowych.”

Wychwytywanie czegoś więcej niż tylko błysku w pan

Ta praca jest częścią trwających wysiłków w Extreme Optical Imaging Laboratory na East China Normal University. Kluczowym celem jest jednorazowe ultraszybkie obrazowanie optyczne, które rejestruje niepowtarzalne zdarzenia w pojedynczej ekspozycji. Poprzednie techniki głównie rejestrowały zmiany jasności lub natężenia światła. Ale światło niesie również informacje o fazie, które ujawniają, jak się ugina lub zmienia prędkość. Badacze postanowili uchwycić jednocześnie zarówno natężenie, jak i fazę, zapewniając pełniejszy obraz.

Aby to osiągnąć, połączyli mapowanie czasowo-widmowe, kompresyjne obrazowanie widmowe i koherentne obrazowanie modulacyjne. System wykorzystuje chirpowy impuls laserowy składający się z wielu długości fal, które docierają w nieco różnych czasach, skutecznie wiążąc czas z długością fali. Gdy impuls oddziałuje z szybko zmieniającym się zdarzeniem, rozproszone światło niesie szczegółowe informacje przestrzenne, widmowe i fazowe, które są kompresowane w pojedynczy obraz. Fizycznie poinformowana sieć neuronowa następnie przetwarza te dane, oddzielając długości fal i rekonstruując zarówno natężenie, jak i fazę w czasie, aby stworzyć ultraszybki film z pojedynczego ujęcia.

Widoki w czasie rzeczywistym plazmy i elektronowych wybryków

W testach zespół zbadał plazmę wytworzoną w wodzie przez laser femtosekundowy, co mogłoby wspierać zastosowania takie jak procedury medyczne oparte na laserze. Obrazowanie ujawniło zarówno zmiany jasności, jak i fazy w kanale plazmy, w tym tworzenie się gęstej plazmy wolnych elektronów. Zbadali również dynamikę nośników w ZnSe, aby zrozumieć, jak ładunki elektryczne poruszają się po wzbudzeniu światłem, co jest kluczowe dla ulepszania urządzeń optycznych i elektronicznych.

„Korzystając z CST-CMFI, byliśmy w stanie zobaczyć zmiany fazy związane z dynamiką nośników, nawet gdy nie było znaczących zmian w natężeniu” – powiedział Yao. „To podkreśla kluczową zaletę naszej metody: pomiary fazy mogą być znacznie bardziej czułe niż pomiary natężenia w wykrywaniu subtelnych ultraszybkich procesów.”

Plany na przyszłość: Bo nawet biliardowa część sekundy nie jest wystarczająco szybka

Patrząc w przyszłość, badacze planują zastosować metodę do badania dodatkowych zjawisk, takich jak dynamika interfejsów i ultraszybkie przejścia fazowe. Obecnie CST-CMFI konwertuje informacje widmowe na informacje czasowe, co ogranicza jej zdolność do badania procesów wysoce wrażliwych na zmiany widmowe. Aby rozwiązać ten problem, zespół zamierza połączyć CST-CMFI z kompresyjną ultraszybką fotografią, co pozwoliłoby na oddzielne przechwytywanie informacji widmowych i czasowych, znacząco rozszerzając wszechstronność technologii.