Forskare har avslöjat en ny avbildningsmetod som kan fånga ultrasnabba händelser i den mikroskopiska världen med oöverträffad detaljrikedom. Dessa processer, som utspelar sig på tidsskalor av hundratals femtosekunder (en biljondels sekund), har traditionellt varit satans svåra att studera. Den nya tekniken låter dock forskare observera dessa snabba förändringar med exceptionell klarhet och hastighet.

"Inom fysik, kemi, biologi och materialvetenskap händer många viktiga fenomen otroligt snabbt", säger forskningsledaren Yunhua Yao från East China Normal University. "Vår nya teknik kan fånga hela utvecklingen av både ljusstyrkan och den interna strukturen hos ett objekt i en enda mätning. Det här är ett stort steg framåt för att förstå materiens grundläggande natur, designa nya material och till och med avslöja mysterierna i biologiska processer."

Teamet beskrev sin metod, känd som komprimerad spektral-temporär koherent modulationsfemtosekundsavbildning (CST-CMFI), i tidskriften Optica. Med detta system kunde de spåra ultrasnabb aktivitet som plasma som bildas i vatten efter en femtosekundslaserpuls och beteendet hos exciterade laddningsbärare i ett material som kallas ZnSe.

"Förutom att hjälpa forskare att studera material som förändras omedelbart som svar på laserljus, kemiska reaktioner som omarrangerar atomer i blixtens hastighet och biomolekylers dynamiska beteende över otroligt korta tidsskalor, skulle CST-CMFI kunna förbättra högpresterande lasertekniker som används inom ren energiforskning, avancerad tillverkning och vetenskaplig instrumentering", säger Yao. "Det kan också leda till utvecklingen av mer effektiv elektronik, förbättrade solceller och snabbare enheter genom att möjliggöra en bättre förståelse för hur material beter sig vid extremt snabba tidsskalor."

Fångar mer än bara ett ögonblicks fenomen

Detta arbete är en del av pågående insatser vid Extreme Optical Imaging Laboratory vid East China Normal University. Ett nyckelfokus är enkel-exponerings ultrasnabb optisk avbildning, som fångar icke-repeterbara händelser i en enda exponering. Tidigare tekniker registrerade främst förändringar i ljusstyrka eller ljusintensitet. Men ljus bär också på fasinformation, som avslöjar hur det böjs eller ändrar hastighet. Forskarna satte sig för att fånga både intensitet och fas samtidigt, vilket ger en mer komplett bild.

För att uppnå detta kombinerade de tids-spektrum-kartläggning, komprimerad spektralavbildning och koherent modulationsavbildning. Systemet använder en chirpad laserpuls som består av flera våglängder som anländer vid något olika tidpunkter, vilket effektivt länkar tid till våglängd. När pulsen interagerar med en snabbföränderlig händelse bär det spridda ljuset på detaljerad rumslig, spektral och fasinformation, som komprimeras till en enda bild. Ett fysikinformerat neuralt nätverk bearbetar sedan dessa data, separerar våglängder och rekonstruerar både intensitet och fas över tid för att skapa en ultrasnabb film från ett enda skott.

Realtidsvyer av plasma och elektronskämt

I tester undersökte teamet plasma som skapats i vatten av en femtosekundslaser, vilket skulle kunna stödja applikationer som laserbaserade medicinska procedurer. Avbildningen avslöjade både ljusstyrke- och fasförändringar inom plasmakanalen, inklusive bildandet av ett tätt frielektronplasma. De studerade också bärardynamik i ZnSe för att förstå hur elektriska laddningar rör sig efter att ha exciterats av ljus, vilket är avgörande för att förbättra optiska och elektroniska enheter.

"Med CST-CMFI kunde vi se fasvariationer associerade med bärardynamiken, även när det inte fanns några signifikanta förändringar i intensitet", säger Yao. "Detta belyser en nyckelfördel med vår metod: Fas-mätningar kan vara mycket känsligare än intensitetsmätningar för att upptäcka subtila ultrasnabba processer."

Framtida planer: För även en biljondels sekund är inte snabbt nog

Framöver planerar forskarna att tillämpa metoden för att studera ytterligare fenomen som gränsskiktsdynamik och ultrasnabba fasövergångar. För närvarande omvandlar CST-CMFI spektral information till temporär information, vilket begränsar dess förmåga att studera processer som är mycket känsliga för spektrala förändringar. För att hantera detta syftar teamet till att kombinera CST-CMFI med komprimerad ultrasnabb fotografering, vilket skulle låta spektral och temporär information fångas separat och avsevärt utöka teknikens mångsidighet.