Skub grænserne for optisk billeddannelse tilbage ved at behandle billioner af billeder i sekundet

At presse på for en højere hastighed er ikke kun for atleter. Forskere kan også opnå sådanne bedrifter med deres opdagelser. Dette er tilfældet for Jinyang Liang, professor ved Institut national de la recherche scientifique (INRS), og hans team, hvis forskningsresultater for nylig er blevet offentliggjort i Nature Communications .

Gruppen baseret på INRS's Énergie Matériaux Télécommunications Research Center har udviklet et nyt ultrahurtigt kamerasystem, der kan fange op til 156,3 billioner billeder i sekundet med forbløffende præcision. For første gang er 2D optisk billeddannelse af ultrahurtig afmagnetisering i et enkelt skud mulig.

Denne nye enhed kaldet SCARF (til fejet-kodet aperture real-time femtofotografering) kan fange forbigående absorption i en halvleder og ultrahurtig afmagnetisering af en metallegering. Denne nye metode vil hjælpe med at skubbe grænserne for viden frem på en lang række områder, herunder moderne fysik, biologi, kemi, materialevidenskab og teknik.

Forbedring af tidligere fremskridt

Professor Liang er kendt over hele verden som en pioner inden for ultrahurtig billeddannelse. I 2018 fungerede han som hovedudvikler af et stort gennembrud på området, som lagde grunden til udviklingen af ​​TØRKLÆDE.

Indtil nu har ultrahurtige kamerasystemer hovedsageligt brugt en tilgang, der involverer sekventiel optagelse af billeder én efter én. De ville erhverve data gennem korte, gentagne målinger og derefter sætte alt sammen for at skabe en film, der rekonstruerede den observerede bevægelse.

"Denne tilgang kan dog kun anvendes på inerte prøver eller på fænomener, der sker på nøjagtig samme måde hver gang. Skrøbelige prøver, for ikke at nævne ikke-gentagelige fænomener eller fænomener med ultrahurtige hastigheder, kan ikke observeres med denne metode."

"For eksempel kan fænomener som femtosekund laserablation, chokbølgeinteraktion med levende celler og optisk kaos ikke studeres på denne måde," forklarer Liang.

Det første værktøj udviklet af professor Liang hjalp med at udfylde dette hul. T-CUP-systemet (Trillion-frame-per-second komprimeret ultrahurtig fotografering) var baseret på passiv femtosekund-billeddannelse, der var i stand til at erhverve ti billioner (10 ¹³ ) billeder i sekundet. Dette var et vigtigt første skridt hen imod ultrahurtig, enkelt-shot-realtidsbilleddannelse.

Alligevel var der stadig udfordringer.

"Mange systemer baseret på komprimeret ultrahurtig fotografering skal klare forringet datakvalitet og er nødt til at handle med sekvensdybden af ​​synsfeltet. Disse begrænsninger kan tilskrives driftsprincippet, som kræver samtidig skæring af scenen og den kodede blænde," Liang fortsætter.

SCARF overvinder disse udfordringer. Dens billedbehandlingsmodalitet muliggør ultrahurtig fejning af en statisk kodet blænde, mens den ikke forskyder det ultrahurtige fænomen. Dette giver fuld sekvens kodningshastigheder på op til 156,3 THz til individuelle pixels på et kamera med en opladningskoblet enhed (CCD). Disse resultater kan opnås i et enkelt skud ved justerbare billedhastigheder og rumlige skalaer i både reflektions- og transmissionstilstande.

En række applikationer

SCARF gør det muligt at observere unikke fænomener, der er ultrahurtige, ikke-gentagelige eller svære at reproducere, såsom stødbølgemekanik i levende celler eller stof. Disse fremskridt kan potentielt bruges til at udvikle bedre lægemidler og medicinske behandlinger.

Hvad mere er, lover SCARF meget tiltalende økonomiske spin-offs. To virksomheder, Axis Photonique og Few-Cycle, arbejder allerede sammen med professor Liangs team for at producere en omsættelig version af deres patentanmeldte opdagelse. Dette repræsenterer en fantastisk mulighed for Quebec til at styrke sin allerede misundelsesværdige position som førende inden for fotonik.

Arbejdet blev udført i Advanced Laser Light Source (ALLS) Laboratory i samarbejde med professor François Légaré, direktør for Énergie Matériaux Télécommunications Research Centre, og internationale kolleger Michel Hehn, Stéphane Mangin og Grégory Malinowski fra Institut Jean Lamour ved Université de Lorraine (Frankrig) og Zhengyan Li fra Huazhong University of Science and Technology (Kina).

Flere oplysninger: Jingdan Liu et al., Swept coded aperture real-time femtophotography, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45820-z

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af INRS