Hogesnelheidscamera's kunnen snel achter elkaar foto's maken. Dit maakt ze nuttig voor het visualiseren van ultrasnelle dynamische verschijnselen, zoals femtoseconde laserablatie voor nauwkeurige bewerkings- en productieprocessen, snelle ontsteking voor kernfusie-energiesystemen, schokgolfinteracties in levende cellen, en bepaalde chemische reacties.

Onder de verschillende parameters in de fotografie, de sequentiële beeldvorming van microscopische ultrasnelle dynamische processen vereist hoge framesnelheden en hoge ruimtelijke en temporele resoluties. In de huidige beeldvormingssystemen deze kenmerken staan ​​in een wisselwerking met elkaar.

Echter, wetenschappers aan de Universiteit van Shenzhen, China, hebben onlangs een volledig optisch ultrasnel beeldvormingssysteem ontwikkeld met hoge ruimtelijke en temporele resoluties, evenals een hoge framesnelheid. Omdat de methode volledig optisch is, het is vrij van de knelpunten die ontstaan ​​bij het scannen met mechanische en elektronische componenten.

Hun ontwerp richt zich op niet-collineaire optische parametrische versterkers (OPA's). Een OPA is een kristal dat, wanneer gelijktijdig bestraald met een gewenste signaallichtstraal en een pomplichtstraal met een hogere frequentie, versterkt de signaalstraal en produceert een andere lichtstraal die bekend staat als een spanrol. Omdat het kristal dat in deze studie wordt gebruikt niet-collineair is, de spanrol wordt afgevuurd in een andere richting dan die van de signaalbundel. Maar hoe is zo'n apparaat bruikbaar in een high-speed beeldvormingssysteem?

Het antwoord ligt in trapsgewijze OPA's. De informatie van het doel, in de signaalbundel, wordt door de OPA in kaart gebracht op de vrijloopstraal terwijl de pompstraal actief is. Omdat de spanrol in een andere richting beweegt, het kan worden vastgelegd met behulp van een conventionele CCD-camera (charge-coupled device) "aan de kant gezet", terwijl de signaalstraal naar de volgende fase in de OPA-cascade beweegt.

Net zoals water zou dalen in een waterval, de signaalstraal bereikt de volgende OPA, en de door dezelfde laserbron gegenereerde pompstraal activeert deze; behalve nu, een vertragingslijn zorgt ervoor dat de pompstraal later aankomt, waardoor de CCD-camera naast de OPA in de tweede trap later een foto maakt. Via een cascade van vier OPA's met vier bijbehorende CCD-camera's en vier verschillende vertragingslijnen voor de pomplaser, de wetenschappers creëerden een systeem dat vier foto's extreem snel achter elkaar kan maken.

De snelheid van het maken van opeenvolgende foto's wordt beperkt door hoe klein het verschil tussen twee laservertragingslijnen kan zijn. In dit verband, dit systeem behaalde een effectieve framesnelheid van 15 biljoen frames per seconde - een recordsluitertijd voor camera's met een hoge ruimtelijke resolutie. Omgekeerd, de temporele resolutie hangt af van de duur van de laserpulsen die de OPA's activeren en de vrijloopsignalen genereren. In dit geval, de pulsbreedte was 50 fs (vijftig miljoenste van een nanoseconde). In combinatie met de ongelooflijk snelle framesnelheid, deze methode is in staat om ultrasnelle fysieke verschijnselen waar te nemen, zoals een luchtplasmarooster en een roterend optisch veld dat ronddraait met 10 biljoen radialen per seconde.

Volgens Anatoly Zayats, Mede-hoofdredacteur van Geavanceerde fotonica , "Het team van de Universiteit van Shenzhen heeft ultrasnelle fotografische beeldvorming aangetoond met de recordsnelste sluitertijd. Dit onderzoek biedt nieuwe mogelijkheden voor onderzoek naar ultrasnelle processen op verschillende gebieden."

Deze beeldvormingsmethode heeft ruimte voor verbetering, maar zou gemakkelijk een nieuwe microscopietechniek kunnen worden. Toekomstig onderzoek zal het potentieel van deze benadering ontsluiten om ons een duidelijker beeld te geven van ultrasnelle voorbijgaande verschijnselen.