O nouă tehnică de imagistică surprinde procese microscopice ultrarapide cu detalii fără precedent
Cercetătorii au dezvoltat o nouă tehnică de imagistică care surprinde mai multe informații despre procesele ultrarapide din lumea microscopică decât era posibil anterior.
Această metodă oferă oamenilor de știință un instrument puternic pentru a observa și analiza o gamă largă de fenomene ultrarapide – care pot avea loc în sute de femtosecunde – cu detalii și viteză fără precedent.
„În domeniile fizicii, chimiei, biologiei și științei materialelor, multe fenomene importante se desfășoară incredibil de rapid”, a declarat liderul echipei de cercetare, Yunhua Yao, de la Universitatea Normală din Estul Chinei. „Noua noastră tehnică poate captura evoluția completă atât a strălucirii, cât și a structurii interne a unui obiect într-o singură măsurare. Acesta este un pas important în înțelegerea naturii fundamentale a materiei, proiectarea de noi materiale și chiar descoperirea misterelor proceselor biologice.”
În revista Optica, publicată de Optica Publishing Group, cercetătorii descriu noua tehnică de imagistică ultrarapidă, numită imagistică femtosecundă prin modulare spectral-temporal comprimată (CST-CMFI). Aceasta a fost utilizată pentru a observa procese ultrarapide, inclusiv evoluția în timp real a plasmei generate de un laser femtosecundă în apă și dinamicile purtătorilor excitați de un laser femtosecundă în ZnSe.
„Pe lângă faptul că ajută oamenii de știință să studieze materialele care se schimbă instantaneu ca răspuns la lumina laser, reacțiile chimice care reorganizează atomii cu o viteză fulgerătoare și comportamentul dinamic al biomoleculelor pe intervale de timp incredibil de scurte, CST-CMFI ar putea contribui la îmbunătățirea tehnologiilor laser de mare putere folosite în cercetarea energiei curate, manufactura avansată și instrumentația științifică”, a spus Yao. „De asemenea, ar putea duce la dezvoltarea unor electronice mai eficiente, a unor panouri solare îmbunătățite și a unor dispozitive mai rapide prin facilitarea unei înțelegeri mai bune a modului în care materialele se comportă la intervale de timp extrem de rapide.”
Cercetarea face parte dintr-un efort mai mare la Laboratorul de Imagistică Optică Extremă de la Universitatea Normală din Estul Chinei de a dezvolta tehnologii de cameră ultrarapidă, în special cele utilizate pentru imagistica optică ultrarapidă cu expunere unică. Aceste tehnici surprind evenimente incredibil de rapide care nu pot fi repetate prin utilizarea unei singure expuneri, asemănător cu capturarea unui singur cadru dintr-un film.
În trecut, imagistica optică ultrarapidă cu expunere unică putea captura doar modificările în strălucirea unui obiect sau intensitatea luminii. Totuși, caracteristicile de fază ale luminii transportă informații despre modul în care lumina se îndoaie sau își schimbă viteza pe măsură ce trece printr-un obiect. În noua lucrare, cercetătorii și-au propus să dezvolte o metodă de capturare simultană și în timp real a modificărilor ultrarapide ale intensității unui obiect, împreună cu distribuția sa de fază.
Pentru a aborda această provocare, au combinat cartografierea timp-spectru, imagistica spectrală comprimată și imagistica prin modulare coerentă, permițându-le să valorifice punctele forte ale fiecărei metode: capturarea modificărilor foarte rapide, colectarea mai multor date într-o singură secvență și înregistrarea unor informații detaliate despre imagine.
În acest scop, au folosit un puls laser cu chirp, care conține diverse lungimi de undă de lumină ce sosesc fiecare la momente ușor diferite, permițând codificarea timpului ca lungime de undă. Atunci când acest puls interacționează cu un eveniment ultrarapid, lumina dispersată poartă informații spatiale, spectrale și de fază, care sunt comprimate într-o singură imagine folosind imagistica prin modulare coerentă cu codificare prin dispersie.
O rețea neurală informată de fizică reconstruiește apoi datele prin separarea lungimilor de undă și recuperarea atât a intensității, cât și a fazei în fiecare moment. Deoarece fiecare lungime de undă corespunde unui timp diferit, reconstrucția produce o secvență de cadre care formează un film ultrarapid capturat dintr-o singură expunere.
Pentru a demonstra eficiența metodei lor, cercetătorii au utilizat-o pentru a observa două tipuri de fenomene ultrarapide. Primul a implicat capturarea evoluției în timp real a plasmei generate de un laser femtosecundă în apă. O mai bună înțelegere a acestui proces ar putea fi utilă în chirurgia cu laser și în procedurile medicale, de exemplu. Rezultatele au arătat clar atât modificările de intensitate, cât și cele de fază în cadrul canalului de plasmă. Cercetătorii au observat formarea unei plase dense de plasmă cu electroni liberi în regiunea focală, care provoacă o absorbție semnificativă și modificări ale indicelui de refracție al apei.
De asemenea, au folosit metoda pentru a studia dinamica purtătorilor în ZnSe pentru a înțelege mai bine cum se comportă încărcăturile electrice în interiorul materialului după ce acesta este excitat de lumină. Aceste informații sunt utile pentru proiectarea unor dispozitive optice și electronice mai bune, mai rapide și mai eficiente cu acest material.
„Folosind CST-CMFI, am reușit să observăm variațiile de fază asociate dinamicii purtătorilor, chiar și atunci când nu au existat modificări semnificative în intensitate”, a spus Yao. „Acest lucru subliniază un avantaj cheie al metodei noastre: măsurătorile de fază pot fi mult mai sensibile decât cele de intensitate în detectarea proceselor ultrarapide subtile.”
În continuare, cercetătorii plănuiesc să extindă gama de aplicații ale noii metode, folosind-o pentru a observa fenomene precum dinamica interfeței și tranzițiile ultrarapide de fază, ambele necesitând detectarea unor schimbări foarte mici în faza undelor de lumină.
În prezent, CST-CMFI convertește informațiile spectrale în informații temporale, ceea ce o face inadecvată pentru procesele ultrarapide care sunt extrem de sensibile la schimbările spectrale. Pentru a depăși această limitare, cercetătorii intenționează să combine principiile CST-CMFI cu fotografia ultrarapidă comprimată pentru a dezvolta o metodă de imagistică care să rezolve informațiile spectrale și temporale separat. Această îmbunătățire va lărgi semnificativ utilitatea practică și aplicabilitatea pe scară largă a tehnologiei.
