Het streven naar een hogere snelheid is niet alleen voor atleten. Ook onderzoekers kunnen zulke prestaties leveren met hun ontdekkingen. Dit is het geval voor Jinyang Liang, hoogleraar aan het Institut national de la recherche scientifique (INRS), en zijn team, wier onderzoeksresultaten onlangs zijn gepubliceerd in Nature Communications .

De groep gevestigd bij het Énergie Matériaux Télécommunications Research Center van INRS heeft een nieuw ultrasnel camerasysteem ontwikkeld dat tot 156,3 biljoen frames per seconde met verbazingwekkende precisie kan vastleggen. Voor het eerst is optische 2D-beeldvorming van ultrasnelle demagnetisatie in één opname mogelijk.

Dit nieuwe apparaat genaamd SCARF (voor real-time femtofotografie met sweep-coded apertuur) kan voorbijgaande absorptie in een halfgeleider en ultrasnelle demagnetisatie van een metaallegering vastleggen. Deze nieuwe methode zal helpen de grenzen van de kennis te verleggen op een groot aantal gebieden, waaronder de moderne natuurkunde, biologie, scheikunde, materiaalkunde en techniek.

Verbetering ten opzichte van eerdere vorderingen

Professor Liang staat over de hele wereld bekend als pionier op het gebied van ultrasnelle beeldvorming. In 2018 was hij de belangrijkste ontwikkelaar van een grote doorbraak op dit gebied, die de basis legde voor de ontwikkeling van SCARF.

Tot nu toe hebben ultrasnelle camerasystemen vooral gebruik gemaakt van een aanpak waarbij beelden achtereenvolgens één voor één worden vastgelegd. Ze verzamelden gegevens via korte, herhaalde metingen en voegden vervolgens alles samen om een ​​film te maken die de waargenomen beweging reconstrueerde.

"Deze aanpak kan echter alleen worden toegepast op inerte monsters of op verschijnselen die elke keer op precies dezelfde manier plaatsvinden. Kwetsbare monsters, om nog maar te zwijgen van niet-herhaalbare verschijnselen of verschijnselen met ultrasnelle snelheden, kunnen met deze methode niet worden waargenomen." P>

"Fenomenen als femtoseconde laserablatie, schokgolfinteractie met levende cellen en optische chaos kunnen bijvoorbeeld niet op deze manier worden bestudeerd", legt Liang uit.

Het eerste instrument dat door professor Liang werd ontwikkeld, hielp deze leemte op te vullen. Het T-CUP-systeem (Trillion-frame-per-second combined ultrafast photography) was gebaseerd op passieve femtoseconde-beeldvorming die tien biljoen (10 ¹³ ) beelden per seconde. Dit was een belangrijke eerste stap op weg naar ultrasnelle, single-shot real-time beeldvorming.

Toch bleven er nog steeds uitdagingen bestaan.

"Veel systemen die zijn gebaseerd op gecomprimeerde ultrasnelle fotografie hebben te maken met een verminderde datakwaliteit en moeten de sequentiediepte van het gezichtsveld aanpassen. Deze beperkingen zijn toe te schrijven aan het werkingsprincipe, dat het gelijktijdig afschuiven van de scène en het gecodeerde diafragma vereist", zegt Liang. gaat verder.

SCARF overwint deze uitdagingen. De beeldvormingsmodaliteit maakt het ultrasnel vegen van een statisch gecodeerde opening mogelijk zonder het ultrasnelle fenomeen af ​​te schuiven. Dit biedt volledige coderingssnelheden tot 156,3 THz voor individuele pixels op een camera met een Charge-Coupled Device (CCD). Deze resultaten kunnen in één opname worden verkregen met afstembare framesnelheden en ruimtelijke schalen in zowel reflectie- als transmissiemodi.

Een reeks toepassingen

SCARF maakt het mogelijk om unieke fenomenen waar te nemen die ultrasnel, niet-herhaalbaar of moeilijk reproduceerbaar zijn, zoals schokgolfmechanica in levende cellen of materie. Deze vooruitgang zou potentieel kunnen worden gebruikt om betere farmaceutische en medische behandelingen te ontwikkelen.

Bovendien belooft SCARF zeer aantrekkelijke economische spin-offs. Twee bedrijven, Axis Photonique en Few-Cycle, werken al samen met het team van professor Liang om een ​​verkoopbare versie van hun ontdekking te produceren, waarvoor patent is aangevraagd. Dit vertegenwoordigt een geweldige kans voor Quebec om zijn toch al benijdenswaardige positie als leider op het gebied van fotonica te versterken.

Het werk werd uitgevoerd in het Advanced Laser Light Source (ALLS) Laboratory in samenwerking met professor François Légaré, directeur van het Énergie Matériaux Télécommunications Research Centre, en internationale collega's Michel Hehn, Stéphane Mangin en Grégory Malinowski van het Institut Jean Lamour aan de Université. de Lorraine (Frankrijk) en Zhengyan Li van de Huazhong Universiteit voor Wetenschap en Technologie (China).

Meer informatie: Jingdan Liu et al., Real-time femtofotografie met geveegd gecodeerd diafragma, Natuurcommunicatie (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45820-z

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Geleverd door INRS