Исследователи представили новый метод визуализации, который может захватывать сверхбыстрые события в микроскопическом мире с беспрецедентной детализацией. Эти процессы, которые разворачиваются в масштабах сотен фемтосекунд (триллионной доли секунды), традиционно были чертовски сложны для изучения. Однако новая техника позволяет ученым наблюдать эти стремительные изменения с исключительной четкостью и скоростью.
«В областях физики, химии, биологии и материаловедения многие важные явления происходят невероятно быстро», — сказал руководитель исследовательской группы Юньхуа Яо из Восточно-Китайского педагогического университета. «Наша новая техника может захватить полную эволюцию как яркости, так и внутренней структуры объекта в одном измерении. Это большой шаг вперед для понимания фундаментальной природы материи, проектирования новых материалов и даже раскрытия тайн биологических процессов».
Команда описала свой метод, известный как компрессионная спектрально-временная когерентная модуляционная фемтосекундная визуализация (CST-CMFI), в журнале Optica. Используя эту систему, они смогли отслеживать сверхбыструю активность, такую как образование плазмы в воде после фемтосекундного лазерного импульса и поведение возбужденных носителей заряда в материале под названием ZnSe.
«Помимо помощи ученым в изучении материалов, которые мгновенно меняются в ответ на лазерный свет, химических реакций, которые перестраивают атомы со скоростью молнии, и динамического поведения биомолекул на невероятно коротких временных масштабах, CST-CMFI может помочь улучшить технологии мощных лазеров, используемых для исследований чистой энергии, передового производства и научного приборостроения», — сказал Яо. «Это также может привести к разработке более эффективной электроники, улучшенных солнечных элементов и более быстрых устройств, позволяя лучше понять, как материалы ведут себя на чрезвычайно быстрых временных масштабах».
Захват большего, чем просто вспышка
Эта работа является частью продолжающихся усилий в Лаборатории экстремальной оптической визуализации Восточно-Китайского педагогического университета. Ключевой фокус — однокадровая сверхбыстрая оптическая визуализация, которая захватывает неповторяющиеся события за один экспозиционный снимок. Прошлые техники в основном записывали изменения яркости или интенсивности света. Но свет также несет фазовую информацию, которая раскрывает, как он изгибается или меняет скорость. Исследователи поставили цель захватить одновременно и интенсивность, и фазу, обеспечивая более полную картину.
Для достижения этого они объединили временно-спектральное отображение, компрессионную спектральную визуализацию и когерентную модуляционную визуализацию. Система использует чирп-импульс лазера, состоящий из нескольких длин волн, которые прибывают в слегка разное время, эффективно связывая время с длиной волны. Когда импульс взаимодействует с быстро меняющимся событием, рассеянный свет несет детальную пространственную, спектральную и фазовую информацию, которая сжимается в одно изображение. Затем физически информированная нейронная сеть обрабатывает эти данные, разделяя длины волн и восстанавливая как интенсивность, так и фазу во времени, чтобы создать сверхбыстрый фильм из одного кадра.
Вид в реальном времени на плазму и электронные проделки
В ходе тестирования команда исследовала плазму, созданную в воде фемтосекундным лазером, что могло бы поддержать такие приложения, как лазерные медицинские процедуры. Визуализация выявила как изменения яркости, так и фазы внутри плазменного канала, включая образование плотной плазмы свободных электронов. Они также изучили динамику носителей в ZnSe, чтобы понять, как электрические заряды движутся после возбуждения светом, что имеет решающее значение для улучшения оптических и электронных устройств.
«Используя CST-CMFI, мы смогли увидеть фазовые вариации, связанные с динамикой носителей, даже когда не было значительных изменений интенсивности», — сказал Яо. «Это подчеркивает ключевое преимущество нашего метода: фазовые измерения могут быть гораздо более чувствительными, чем измерения интенсивности, при обнаружении тонких сверхбыстрых процессов».
Планы на будущее: потому что даже триллионная доля секунды недостаточно быстра
В перспективе исследователи планируют применить метод для изучения дополнительных явлений, таких как динамика интерфейсов и сверхбыстрые фазовые переходы. В настоящее время CST-CMFI преобразует спектральную информацию во временную, что ограничивает ее способность изучать процессы, высокочувствительные к спектральным изменениям. Чтобы решить эту проблему, команда стремится объединить CST-CMFI с компрессионной сверхбыстрой фотографией, что позволит захватывать спектральную и временную информацию отдельно, значительно расширяя универсальность технологии.