Une nouvelle technique d’imagerie entièrement optique avec une fréquence d’images sans précédent permet aux scientifiques de visualiser des phénomènes transitoires ultra-rapides – Technoguide

Les caméras haute vitesse peuvent prendre des photos en succession rapide. Cela les rend utiles pour visualiser des phénomènes dynamiques ultrarapides, tels que l’ablation au laser femtoseconde pour des processus d’usinage et de fabrication précis, un allumage rapide pour les systèmes d’énergie de fusion nucléaire, les interactions d’ondes de choc dans les cellules vivantes et certaines réactions chimiques.

Parmi les différents paramètres de la photographie, l’imagerie séquentielle des processus dynamiques microscopiques ultra-rapides nécessite des fréquences d’images élevées et des résolutions spatiales et temporelles élevées. Dans les systèmes d’imagerie actuels, ces caractéristiques sont dans un compromis les unes avec les autres.

Cependant, des scientifiques de l’Université de Shenzhen, en Chine, ont récemment mis au point un système d’imagerie ultra-rapide entièrement optique avec des résolutions spatiales et temporelles élevées, ainsi qu’une fréquence d’images élevée. Étant donné que la méthode est entièrement optique, elle est exempte de goulots d’étranglement résultant de la numérisation avec des composants mécaniques et électroniques.

Leur conception se concentre sur les amplificateurs paramétriques optiques non colinéaires (OPA). Un OPA est un cristal qui, lorsqu’il est simultanément irradié avec un faisceau lumineux de signal souhaité et un faisceau lumineux de pompage à haute fréquence, amplifie le faisceau de signal et produit un autre faisceau lumineux connu sous le nom de fou. Parce que le cristal utilisé dans cette étude n’est pas colinéaire, le ralenti est tiré dans une direction différente de celle du faisceau de signal. Mais en quoi un tel appareil est-il utile dans un système d’imagerie à grande vitesse?

La réponse réside dans les OPA en cascade. Les informations de la cible, contenues dans le faisceau de signal, sont mappées sur le faisceau libre par l’OPA pendant que le faisceau de pompe est actif. Du fait que la roue libre se déplace dans une direction différente, elle peut être capturée en utilisant une caméra conventionnelle à dispositif à couplage de charge (CCD) “placée sur le côté” pendant que le faisceau de signal se déplace vers l’étage suivant dans la cascade OPA.

Tout comme l’eau descendrait dans une cascade, le faisceau de signal atteint l’OPA suivant et le faisceau de pompe généré par la même source laser l’active; sauf maintenant, une ligne à retard fait arriver le faisceau de pompe plus tard, ce qui oblige la caméra CCD à côté de l’OPA dans le deuxième étage à prendre une photo plus tard. Grâce à une cascade de quatre OPA avec quatre caméras CCD associées et quatre lignes de retard différentes pour le laser à pompe, les scientifiques ont créé un système capable de prendre quatre photos en succession extrêmement rapide.

La vitesse de capture d’images consécutives est limitée par la faible différence entre deux lignes à retard laser. À cet égard, ce système a atteint une fréquence d’images effective de 15 billions d’images par seconde – une vitesse d’obturation record pour les caméras à haute résolution spatiale. A l’inverse, la résolution temporelle dépend de la durée des impulsions laser déclenchant les OPA et générant les signaux oisifs. Dans ce cas, la largeur d’impulsion était de 50 fs (cinquante millionièmes de nanoseconde). Associée à une fréquence d’images incroyablement rapide, cette méthode est capable d’observer des phénomènes physiques ultrarapides, tels qu’un réseau de plasma d’air et un champ optique rotatif tournant à 10 billions de radians par seconde.

Selon Anatoly Zayats, co-rédacteur en chef de Advanced Photonics, “L’équipe de l’Université de Shenzhen a démontré une imagerie photographique ultra-rapide avec la vitesse d’obturation la plus rapide record. Cette recherche ouvre de nouvelles opportunités pour l’étude des processus ultra-rapides dans divers domaines.”

Cette méthode d’imagerie peut être améliorée mais pourrait facilement devenir une nouvelle technique de microscopie. Les recherches futures permettront de libérer le potentiel de cette approche pour nous donner une image plus claire des phénomènes transitoires ultra-rapides.

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