Wat gebeurt er als een nieuwe technologie zo nauwkeurig is dat ze werkt op een schaal die onze karakteriseringsmogelijkheden te boven gaat? Bijvoorbeeld, de lasers die bij INRS worden gebruikt, produceren ultrakorte pulsen in het femtoseconde bereik (10 ^-15 s), die veel te kort is om te visualiseren. Hoewel sommige metingen mogelijk zijn, er gaat niets boven een duidelijk beeld, zegt INRS-professor en ultrasnelle beeldvormingsspecialist Jinyang Liang. Hij en zijn collega's, onder leiding van Lihong Wang van Caltech, hebben ontwikkeld wat zij T-CUP noemen:'s werelds snelste camera, in staat om 10 biljoen (10 ¹³ ) frames per seconde (Fig. 1). Deze nieuwe camera maakt het letterlijk mogelijk om de tijd te bevriezen om fenomenen - en zelfs licht - in extreem slow motion te zien.

In recente jaren, de kruising tussen innovaties in niet-lineaire optica en beeldvorming heeft de deur geopend voor nieuwe en zeer efficiënte methoden voor microscopische analyse van dynamische fenomenen in biologie en natuurkunde. Maar om het potentieel van deze methoden te benutten, is een manier nodig om beelden in realtime op te nemen met een zeer korte temporele resolutie - in een enkele belichting.

Met behulp van de huidige beeldvormende technieken, metingen met ultrakorte laserpulsen moeten vele malen worden herhaald, die geschikt is voor sommige soorten inerte monsters, maar onmogelijk voor andere, meer kwetsbare. Bijvoorbeeld, lasergegraveerd glas kan slechts een enkele laserpuls verdragen, waardoor er minder dan een picoseconde overblijft om de resultaten vast te leggen. In zo'n geval, de beeldvormingstechniek moet het hele proces realtime kunnen vastleggen.

Gecomprimeerde ultrasnelle fotografie (CUP) was een goed uitgangspunt. Bij 100 miljard frames per seconde, deze methode benaderd, maar niet ontmoet, de specificaties die nodig zijn om femtoseconde lasers te integreren. Om het concept te verbeteren, het nieuwe T-CUP-systeem is ontwikkeld op basis van een femtoseconde streak-camera die ook een data-acquisitietype bevat dat wordt gebruikt in toepassingen zoals tomografie.

"We wisten dat door alleen een femtosecond streak-camera te gebruiken, de beeldkwaliteit zou beperkt zijn, " zegt professor Lihong Wang, de Bren Professor of Medial Engineering and Electrical Engineering bij Caltech en de directeur van Caltech Optical Imaging Laboratory (COIL). "Dus om dit te verbeteren, we hebben nog een camera toegevoegd die een statisch beeld krijgt. Gecombineerd met het beeld verkregen door de femtosecond streak-camera, we kunnen een zogenaamde Radon-transformatie gebruiken om beelden van hoge kwaliteit te verkrijgen terwijl we tien biljoen frames per seconde opnemen."

Het wereldrecord voor realtime beeldsnelheid vestigen, T-CUP kan een nieuwe generatie microscopen voor biomedische, materiaal kunde, en andere toepassingen. Deze camera vertegenwoordigt een fundamentele verschuiving, waardoor het mogelijk wordt om interacties tussen licht en materie te analyseren met een ongeëvenaarde temporele resolutie.

De eerste keer dat het werd gebruikt, de ultrasnelle camera was baanbrekend door de tijdelijke focus van een enkele femtoseconde laserpuls in realtime vast te leggen (figuur 2). Dit proces werd vastgelegd in 25 frames, genomen met een interval van 400 femtoseconden en gedetailleerd de vorm van de lichtpuls, intensiteit, en hellingshoek.

"Het is een prestatie op zich, " zegt Jinyang Liang, de belangrijkste auteur van dit werk, die ingenieur was bij COIL toen het onderzoek werd uitgevoerd, "maar we zien nu al mogelijkheden om de snelheid te verhogen tot wel één quadriljoen (10 exp 15) frames per seconde!" Zulke snelheden zullen zeker inzicht bieden in de tot nu toe ondetecteerbare geheimen van de interacties tussen licht en materie.