Att driva på en högre hastighet är inte bara för idrottare. Även forskare kan uppnå sådana bedrifter med sina upptäckter. Detta är fallet för Jinyang Liang, professor vid Institut national de la recherche scientifique (INRS), och hans team, vars forskningsresultat nyligen har publicerats i Nature Communications .
Gruppen baserad på INRS:s Énergie Matériaux Télécommunications Research Centre har utvecklat ett nytt ultrasnabbt kamerasystem som kan fånga upp till 156,3 biljoner bilder per sekund med häpnadsväckande precision. För första gången är optisk 2D-avbildning av ultrasnabb avmagnetisering i en enda bild möjlig.
Den här nya enheten kallad SCARF (för femtofotografering med svepkodad apertur i realtid) kan fånga transient absorption i en halvledare och ultrasnabb avmagnetisering av en metallegering. Den här nya metoden kommer att hjälpa till att flytta fram gränserna för kunskap inom ett brett spektrum av områden, inklusive modern fysik, biologi, kemi, materialvetenskap och ingenjörsvetenskap.
Professor Liang är känd över hela världen som en pionjär inom ultrasnabb bildbehandling. 2018 fungerade han som huvudutvecklare av ett stort genombrott inom området, som lade grunden för utvecklingen av SCARF.
Hittills har ultrasnabba kamerasystem huvudsakligen använt ett tillvägagångssätt som involverar att sekventiellt fånga bildrutor en efter en. De skulle samla in data genom korta, upprepade mätningar och sedan sätta ihop allt för att skapa en film som rekonstruerade den observerade rörelsen.
"Det här tillvägagångssättet kan dock bara tillämpas på inerta prover eller på fenomen som händer på exakt samma sätt varje gång. Sköra prover, för att inte tala om icke-repeterbara fenomen eller fenomen med ultrasnabba hastigheter, kan inte observeras med den här metoden."
"Till exempel kan fenomen som femtosekundlaserablation, stötvågsinteraktion med levande celler och optiskt kaos inte studeras på detta sätt", förklarar Liang.
Det första verktyget som utvecklades av professor Liang hjälpte till att fylla denna lucka. T-CUP-systemet (Trillion-frame-per-second komprimerad ultrasnabb fotografering) var baserat på passiv femtosekundsavbildning som kunde ta tio biljoner (10 13 ) bildrutor per sekund. Detta var ett stort första steg mot ultrasnabb, enkelbildsbild i realtid.
Ändå återstod utmaningar.
"Många system baserade på komprimerad ultrasnabb fotografering måste klara av försämrad datakvalitet och måste byta synfältets sekvensdjup. Dessa begränsningar kan tillskrivas funktionsprincipen, som kräver att scenen och den kodade bländaren samtidigt klipps av," Liang fortsätter.
SCARF övervinner dessa utmaningar. Dess bildbehandlingsmodalitet möjliggör ultrasnabb svepning av en statisk kodad bländare utan att klippa det ultrasnabba fenomenet. Detta ger fullsekvenskodningshastigheter på upp till 156,3 THz till enskilda pixlar på en kamera med en laddningskopplad enhet (CCD). Dessa resultat kan erhållas i en enda bild med inställbara bildhastigheter och rumsliga skalor i både reflektions- och överföringslägen.
SCARF gör det möjligt att observera unika fenomen som är ultrasnabba, icke-repeterbara eller svåra att reproducera, såsom stötvågsmekanik i levande celler eller materia. Dessa framsteg skulle potentiellt kunna användas för att utveckla bättre läkemedel och medicinska behandlingar.
Dessutom lovar SCARF mycket tilltalande ekonomiska spin-offs. Två företag, Axis Photonique och Few-Cycle, arbetar redan med professor Liangs team för att ta fram en säljbar version av deras patentsökta upptäckt. Detta representerar en stor möjlighet för Quebec att stärka sin redan avundsvärda position som ledare inom fotonik.
Arbetet utfördes i Advanced Laser Light Source (ALLS) Laboratory i samarbete med professor François Légaré, chef för Énergie Matériaux Télécommunications Research Centre, och internationella kollegor Michel Hehn, Stéphane Mangin och Grégory Malinowski från Institut Jean Lamour vid Université de Lorraine (Frankrike) och Zhengyan Li från Huazhong University of Science and Technology (Kina).
Mer information: Jingdan Liu et al, Swept coded aperture femtophotography i realtid, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45820-z
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av INRS
