Fire billedbilleder af det ultrahurtigt roterende optiske felt optaget i enkeltbillede-tilstand ved 15 Tfps. Kredit:Zeng et al., doi 10.1117/1.AP.2.5.056002.
Højhastighedskameraer kan tage billeder hurtigt efter hinanden. Dette gør dem nyttige til at visualisere ultrahurtige dynamiske fænomener, såsom femtosekund laserablation til præcise bearbejdnings- og fremstillingsprocesser, hurtig antændelse for nukleare fusionsenergisystemer, chokbølge-interaktioner i levende celler, og visse kemiske reaktioner.
Blandt de forskellige parametre inden for fotografering, den sekventielle billeddannelse af mikroskopiske ultrahurtige dynamiske processer kræver høje billedhastigheder og høje rumlige og tidsmæssige opløsninger. I nuværende billedbehandlingssystemer, disse egenskaber er i en afvejning med hinanden.
Imidlertid, videnskabsmænd ved Shenzhen Universitet, Kina, har for nylig udviklet et helt optisk ultrahurtigt billedbehandlingssystem med høje rumlige og tidsmæssige opløsninger, samt en høj billedhastighed. Fordi metoden er helt optisk, den er fri for de flaskehalse, der opstår ved scanning med mekaniske og elektroniske komponenter.
Deres design fokuserer på ikke-kollineære optiske parametriske forstærkere (OPA'er). En OPA er en krystal, der når den samtidig bestråles med en ønsket signallysstråle og en højere frekvens pumpelysstråle, forstærker signalstrålen og producerer en anden lysstråle kendt som en tomgang. Fordi krystallen brugt i denne undersøgelse er ikke-kollineær, tomgangshjulet affyres i en anden retning end signalstrålens. Men hvordan er sådan en enhed nyttig i et højhastigheds billedbehandlingssystem?
Svaret ligger i kaskadende OPA'er. Informationen om målet, indeholdt i signalstrålen, er afbildet på tomgangsstrålen af OPA'en, mens pumpestrålen er aktiv. Fordi tomgangshjulet bevæger sig i en anden retning, det kan optages ved hjælp af et konventionelt ladningskoblet enhedskamera (CCD) "sat til siden", mens signalstrålen bevæger sig mod næste trin i OPA-kaskaden.
Ligesom hvordan vand ville falde ned i et vandfald, signalstrålen når den efterfølgende OPA, og pumpestrålen genereret fra den samme laserkilde aktiverer den; undtagen nu, en forsinkelseslinje får pumpestrålen til at ankomme senere, hvilket får CCD-kameraet ved siden af OPA'en i anden fase til at tage et billede senere. Gennem en kaskade af fire OPA'er med fire tilhørende CCD-kameraer og fire forskellige forsinkelseslinjer til pumpelaseren, forskerne skabte et system, der kan tage fire billeder i ekstrem hurtig rækkefølge.
Hastigheden af at tage billeder i træk er begrænset af, hvor lille forskellen mellem to laserforsinkelseslinjer kan være. I denne forbindelse dette system opnåede en effektiv billedhastighed på 15 billioner billeder i sekundet - en rekordhøj lukkerhastighed for kameraer med høj rumlig opløsning. Omvendt den tidsmæssige opløsning afhænger af varigheden af laserimpulserne, der udløser OPA'erne og genererer tomgangssignalerne. I dette tilfælde, pulsbredden var 50 fs (halvtreds milliontedele af et nanosekund). Sammen med den utroligt hurtige billedhastighed, denne metode er i stand til at observere ultrahurtige fysiske fænomener, såsom et luftplasmagitter og et roterende optisk felt, der spinder med 10 billioner radianer i sekundet.
Ifølge Anatoly Zayats, Medredaktør af Avanceret fotonik , "Teamet på Shenzhen University har demonstreret ultrahurtig fotografisk billeddannelse med rekordhurtigste lukkerhastighed. Denne forskning åbner nye muligheder for undersøgelser af ultrahurtige processer på forskellige områder."
Denne billeddannelsesmetode har plads til forbedringer, men kan nemt blive en ny mikroskopiteknik. Fremtidig forskning vil frigøre potentialet i denne tilgang for at give os et klarere billede af ultrahurtige forbigående fænomener.