Het verkrijgen van beelden van ultrasnelle processen is een technologie die van vitaal belang is voor veel geavanceerde fysieke, chemisch, en biologische studies. Het laatste onderzoek uitgevoerd door City University of Hong Kong (CityU) en Xi'an Jiaotong University heeft met succes een nieuwe gecomprimeerde ultrasnelle fotografische techniek ontwikkeld, waardoor zowel een ultrahoge framesnelheid als een groot framenummer mogelijk is. Na de bestaande beperkingen te hebben overwonnen, de nieuwe techniek biedt een belangrijk hulpmiddel voor het observeren van complexe voorbijgaande processen op de femtoseconde (10 ^-15 tweede) tijdschaal.

Ultrasnelle fotografie is een belangrijke aandrijftechniek die het inzicht van wetenschappers in een verscheidenheid aan voorbijgaande fysische of chemische processen vergroot. Gebouwd op de pomp-sondetechniek die in de jaren 80 werd geïnitialiseerd, winnaar van de Nobelprijs voor Scheikunde en de in Egypte geboren wetenschapper Ahmed H. Zewail pionierde femtochemie, waardoor de studies van ultrasnelle processen tot een femtoseconde (10 ^-15 s) tijdschema. Nog, de pomp-sondemethode legt slechts één segment van een ultrasnel proces tegelijk vast, en kan alleen worden toegepast om stabiele en herhaalbare ultrasnelle processen te meten. De afgelopen jaren zijn er verdere vorderingen gemaakt. Methoden zoals tijd- of frequentiegecodeerde versterkte beeldvorming, en gecomprimeerde streak-camera maken femtoseconde beeldvorming mogelijk met een enkele belichting. Nog altijd, de bestaande single-shot-technieken registreren slechts zeer beperkte framenummers bij de snelste framesnelheid van femtoseconden, of het gebruik van zeer dure streak-camera's vereisen, waardoor hun toepassingsgebied wordt beperkt.

Onlangs, Dr. Wang Lidai, Assistent-hoogleraar van de afdeling Biomedische Technologie aan CityU en professor Chen Feng van de Xi'an Jiaotong University hebben gezamenlijk de nieuwe gecomprimeerde ultrasnelle spectrale-temporele (CUST) fotografie voorgesteld, die de bestaande beperkingen in beeldsnelheid kan overwinnen, framenummer en spectrale resolutie. Door innovatief optisch computergebruik, een femtoseconde laserpuls kan digitaal worden gecodeerd. De temporele of spectrale informatie wordt vervolgens gecomprimeerd en gereconstrueerd. Deze nieuwe beeldvormingstechniek kan tegelijkertijd een hoge framesnelheid bereiken, hoog framenummer en hoge spectrale resolutie.

CUST kan een ultrahoge framesnelheid van 3,85 biljoen Hz bereiken (1 biljoen Hz =10 ¹² Hz), in staat zijn om meer dan 60 frames van ultrasnelle beelden vast te leggen met een ultrahoge spectrale resolutie van sub-nanometer in één enkele opname. Met CUST, het onderzoeksteam registreerde in realtime de voortplanting, reflectie en zelffocussering van femtoseconde laserpulsen, dit zijn ultrasnelle processen met een duur van 20 picoseconden (1 picoseconde =10 ^-12 s). De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het laatste nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Een ander voordeel van CUST is dat er geen dure streak-camera's nodig zijn. Zo'n ultrasnel beeldvormingssysteem kan worden gebouwd met gewone optische apparaten, waaronder een spiegel, rooster, femtoseconde laser, en CCD-sensor, waardoor het goedkoper en gemakkelijker op grote schaal kan worden ingezet.

Zoals Dr. Wang uitlegde, CUST is gebaseerd op het principe van spectrale-temporele koppeling van femtoseconde laserpulsen. Computational imaging-algoritmen worden ook gebruikt. De CUST fotografie bestaat uit drie stappen. Eerst, een laserpuls wordt door een systeem van diffractieroosters en lenzen gestuurd, zodat verschillende golflengten van de laserpuls door dispersie in het tijdsdomein kunnen worden uitgerekt, het vormen van een "gepiepte puls" van langere duur. Tweede, de getjilpte puls interageert met het ultrasnelle proces en verschillende componenten van de golflengten kunnen verschillende temporele informatie van het ultrasnelle proces opnemen. Derde, CUST voert 2-dimensionale (2-D) ruimtelijke codering uit op lichtstraal, en gebruikt dispersie om verschillende spectrale informatie op een 2D CCD-vlak te comprimeren. als laatste, meerdere ultrasnelle afbeeldingen met ruimtelijke en temporele dimensies worden gereconstrueerd uit het 2D CDD-beeld met behulp van een gecomprimeerd detectiealgoritme.

Dr. Wang is van mening dat dit onderzoek het mogelijk heeft gemaakt om gedurende een lange periode beelden van femtoseconden te verwerven met een breed spectrum, en zal het onderzoek naar ultrasnelle processen in de natuurkunde vergemakkelijken, scheikunde en biologie, zoals het vastleggen van de voorbijgaande voortplanting van fotonen en fononen in microstructuren van geavanceerde materialen, en de voortplanting van elektrische signalen in neuronen, onder andere. Door de lage kosten kunnen ook meer onderzoeksinstellingen deze technologie gebruiken.