Chaque seconde, de nombreux processus physiques et chimiques se produisent autour de nous, qui sont extrêmement difficiles à enregistrer. La complexité réside non seulement dans les dimensions des objets impliqués, mais aussi dans la rapidité des processus eux-mêmes. Dans la recherche moderne, la prise de vue à haute vitesse joue un rôle important, vous permettant de capturer des phénomènes dynamiques ultra-rapides. Mais même cette technologie a sa limite, qui peut être indiquée de manière exagérée par des images par seconde. Des scientifiques de l'Université de Shenzhen (Chine) ont pu créer un système exclusivement optique capable d'atteindre 15 trillions d'images par seconde. Quelles techniques et quels phénomènes ont été utilisés dans ce développement, quelles expériences pratiques ont montré et où cette création peut-elle trouver son application? Nous trouverons des réponses à ces questions dans le rapport des scientifiques. Aller.
Base de recherche
L'imagerie à haute vitesse est un outil essentiel pour étudier des processus dynamiques rapides tels que l'ablation laser femtoseconde, la propagation du filament laser, la dynamique moléculaire, l'interaction des ondes de choc dans les cellules vivantes, etc.
Comme prévu, l'imagerie optique ultra-rapide, qui peut fournir une visualisation sans flou des transitoires, est un outil souhaitable pour les scientifiques d'une grande variété de domaines scientifiques (chimie, physique, génie optique, science des matériaux, biomédecine, etc.).
À l'heure actuelle, il existe déjà un certain nombre de techniques qui permettent d'obtenir d'assez bons résultats dans le domaine de l'imagerie optique. Par exemple, l'imagerie à résolution temporelle, basée sur des techniques de pompage et de détection, fait un excellent travail de dynamique transitoire reproductible avec des taux de répétition élevés. Cependant, cette technique perd son avantage lorsque l'on travaille avec des processus qui ont un faible taux de répétition ou ne se répètent pas du tout.
Le procédé de détection de pompe peut être remplacé par une seule imagerie optique. Certaines œuvres ont même réussi à atteindre 25 millions d'images par seconde (Mfps). Et voici une photo ultra-rapide compressée (CUP par photographie ultra-rapide compressée) Peut fonctionner à une fréquence d'images de 0,1 trame par seconde trillion (Tfps) avec une résolution temporelle d'environ 50 ps en appliquant l'algorithme basé sur l'algorithme de détection de compression * ( détection de compression ).
La détection de compression (détection de compression) * est une technique permettant d'obtenir et de restaurer un signal en connaissant ses valeurs précédentes, qui sont raréfiées ou compressées.La résolution spatiale de cette méthode peut être mise à l'échelle jusqu'à 7 lp / mm (paires de lignes par millimètre, ci-après - lp / mm). Si vous ajoutez un objectif 20x, vous obtenez une photographie ultra-rapide compressée sensible à la phase (pCUP), capable de fournir une résolution spatiale de quelques micromètres et une vitesse d'imagerie de 1 Tfps.
Cette technique permet d'obtenir une bonne résolution spatiale, ce qui ne peut être dit de la résolution temporelle. Par conséquent, une méthode est nécessaire qui peut combiner les points forts des méthodes ci-dessus.
Sur l'assurance des scientifiques, un excellent candidat pour ce rôle est l'amplification paramétrique optique appropriée (OPA par amplification paramétrique optique). En appliquant OPA à une image optique, les informations contenues dans le signal peuvent être copiées sur une image vierge. Cette fonctionnalité a inspiré les scientifiques à créer une nouvelle méthode d'imagerie optique ultra-rapide à un coup appelée imagerie par amplification paramétrique optique non colinéaire (FINCOPA pour l' imagerie de cadrage basée sur l'amplification paramétrique optique non colinéaire ; NCOPA pour l'amplification paramétrique optique non colinéaire ).
Le dispositif non colinéaire permet de convertir des informations dans des trames successives en images vierges spatialement séparées à l'aide d'amplificateurs paramétriques optiques à plusieurs étages pompés par une série d'impulsions laser.
Cette méthode entièrement optique évite également les goulots d'étranglement associés aux composants mécaniques et électroniques actifs pour une numérisation rapide, ce qui est essentiel pour des fréquences d'images élevées.
Comment fonctionne FINCOPA
Image # 1
Le schéma ci-dessus est une illustration du système FINCOPA. Une impulsion d'échantillonnage avec une largeur temporelle suffisamment grande a été utilisée pour capturer toutes les informations dans le transitoire cible. De plus, une séquence d'impulsions ultracourtes (étiquetées trigger-1, 2, 3 et 4) a été utilisée pour déclencher et changer les informations d'image de différentes tranches de temps de l'impulsion d'échantillonnage vers une séquence différente d'impulsions ultracourtes (étiquetées enregistrées-1, 2, 3 et 4 ) utilisant des convertisseurs d'images optiques en cascade. Puisque les images enregistrées sont spatialement séparées les unes des autres, elles peuvent être reçues par différentes caméras CCD (CCD from Charge Coupled Device ).
Les intervalles de trame sont déterminés par les retards relatifs entre l'impulsion d'échantillonnage et les impulsions de déclenchement, tandis que le temps d'exposition des images peut être estimé en utilisant la durée des impulsions de déclenchement. Ainsi, le temps d'exposition, la cadence effective et le nombre d'images sont indépendants l'un de l'autre.
Pour mettre en œuvre cette idée, un système laser femtoseconde avec une résolution temporelle femtoseconde est nécessaire. Comme le notent les scientifiques, une synchronisation précise de l'heure entre les impulsions de déclenchement et l'impulsion d'échantillonnage est extrêmement importante ici. Ceci a été réalisé en obtenant à la fois une impulsion d'échantillonnage et des impulsions de déclenchement à partir de la même source laser, ce qui réduit les fluctuations de temps entre les impulsions synchronisées à plusieurs femtosecondes. Le numéro de trame (N) est déterminé par le rapport entre la puissance d'impulsion de déclenchement totale disponible et la puissance requise pour déclencher chaque convertisseur d'image optique.
OPA peut afficher les informations de signal dans une image inactive, de sorte que les amplificateurs paramétriques optiques peuvent servir de convertisseurs d'image. De plus, l'utilisation d'impulsions ultra-courtes comme pompage pour l'OPA signifie des temps d'exposition courts pour l'imagerie OPA, c'est-à-dire une résolution temporelle élevée.
Dans un amplificateur paramétrique optique, l'OPA se produit uniquement lors de l'interaction entre la pompe et le signal, ce qui signifie que les informations d'image ne sont affichées au repos que sous l'action de la pompe. La pompe a une largeur d'impulsion beaucoup plus courte que le signal, elle peut donc agir comme un obturateur optique. La vitesse d'obturation peut être estimée à partir de la durée de l'impulsion de pompe, et la résolution temporelle est principalement déterminée par la durée de l'impulsion de repos. Les deux durées seront égales l'une à l'autre si l'épaisseur des cristaux OPA est suffisamment mince pour supprimer l'écart de synchronisation entre le signal et les impulsions de pompe.
De plus, la durée d'impulsion de la pompe ultra-courte contribue à une intensité de pompe élevée (par exemple> 100 GW / cm 2), qui a également un effet positif sur le gain OPA et permettra d'atteindre une large bande passante spatio-temporelle.
En d'autres termes, le débit de pompage pour l'OPA est déterminé par le gain OPA et la largeur de bande requis, mais est également limité par la taille d'image requise et la puissance de pompe disponible pour l'OPA.
Pour une intensité de pompe et une taille d'image ou une zone de pompage particulières de chaque amplificateur, le nombre d'amplificateurs ou le nombre de trames peut être estimé en divisant la puissance totale de la pompe par la puissance de la pompe de chaque amplificateur. De plus, le retard entre l'impulsion de pompe et l'impulsion de signal détermine les tranches de temps exposées du signal dans chaque amplificateur (τ).
A partir des différences entre chaque valeur τ, des intervalles de trame peuvent être déterminés. Dans le système FINCOPA, la valeur de τ n'est limitée que par les tailles de pas disponibles minimales des lignes à retard (DL à partir des lignes à retard ) et les fluctuations des trajets du faisceau laser. En règle générale, l'intervalle de trame est plus long que la durée de l'impulsion de pompe.
La figure 1b montre une configuration FINCOPA expérimentale.
Le laser titane-saphir femtoseconde utilisé a les paramètres suivants: 1 kHz; 800 nm; 3,5 mJ; avec une durée d'impulsion de ~ 40 fs. La sortie laser passe d'abord par un deuxième générateur d'harmoniques (SHG): cristal β-BBO de 0,2 mm. La résolution temporelle de la configuration expérimentale est d'environ 50 fs.
Environ 30% de l'impulsion laser est convertie en deuxième harmonique (c'est-à-dire une impulsion de 400 nm) avec une durée d'impulsion d'environ 40 fs. Après avoir traversé le séparateur de longueur d'onde (WS ), l'impulsion de 400 nm est divisée en quatre impulsions filles par un groupe séparateur de faisceau (BSG ), comprenant trois séparateurs 50:50, pour pomper quatre amplificateurs paramétriques optiques (NCOPA-1 ... NCOPA -4). Le nombre d'amplificateurs ou le nombre de trames est égal à quatre, ce qui est principalement limité par la puissance de sortie d'impulsion du système laser femtoseconde (~ 3,5 W à 1 kHz). Si l'énergie du laser femtoseconde atteint 7 W, le nombre de trames peut être estimé à 4 x 7 / 3,5 = 8.
L'impulsion fondamentale non convertie de 800 nm est réfléchie par WS. Environ 1% d'une impulsion laser d'une longueur d'onde de 800 nm est dirigée vers un étireur d'impulsions (PS ) - un distributeur d'impulsions qui augmente la durée de l'impulsion à 50 ps. L'impulsion étendue agit alors comme un échantillon pour éclairer l'événement ultra-rapide cible, ainsi que comme un signal pour les amplificateurs paramétriques optiques ultérieurs.
Dans la configuration ci-dessus, quatre systèmes d'imagerie optique (OIS-1 à OIS-4) sont utilisés entre la cible et les amplificateurs paramétriques optiques, de sorte que les plans cibles et les plans d'amplification sont accouplés les uns aux autres. L'OIS-1 affiche la cible sur le NCOPA-1 en utilisant un zoom optique pour correspondre à la bande passante spatiale de l'amplificateur, optimisant ainsi la qualité de l'image. OIS-2, OIS-3 et OIS-4 sont utilisés pour la visualisation de relais 1x. Quatre morceaux de cristaux de β-BBO d'une épaisseur de 0,5 mm et d'une section transversale de 29,2 degrés fonctionnent pour l'OPA avec correspondance de phase de type I.
Dans chaque amplificateur, la pompe et le signal sont situés avec un petit angle d'intersection (~ 2 degrés) à l'intérieur des cristaux de β-BBO, de sorte que l'image vierge générée s'écarte spatialement des deux. Le temps de retard entre eux peut être ajusté indépendamment à l'aide de DL (DL-1 à DL-4).
Chaque chemin vierge utilise une lentille pour afficher un cristal β-BBO sur une caméra CCD afin d'optimiser la qualité de l'image.
Caractéristiques du système FINCOPA
L'utilisation d'une impulsion laser femtoseconde comme pompe pour l'imagerie OPA présente plusieurs avantages. Premièrement, une impulsion de pompe plus forte peut fournir un gain plus élevé en gain paramétrique optique. Deuxièmement, une telle impulsion permet d'obtenir une bande passante spatiale importante.
L'intensité de la pompe disponible est principalement limitée par les dommages du laser au cristal OPA, qui dépendent également de la durée de l'impulsion de la pompe: plus la durée de pompage est courte, plus l'intensité disponible est élevée. Pour les impulsions femtosecondes, l'intensité de la pompe peut atteindre des centaines de GW / cm 2 . Mais les impulsions nanosecondes ont généralement une intensité inférieure à 10 GW / cm 2... Dans les expériences réalisées, le pompage a été réglé à 15 GW / cm 2 , et le gain OPA était d'environ 30. Un
étalonnage spatial et temporel a dû être effectué avant le test réel.
Pour commencer, il a fallu calibrer la position latérale des quatre capteurs CCD et le grossissement du système d'imagerie optique. Cela a été fait en capturant simultanément des images de test à partir du CCD.
Ensuite, l'heure initiale a été déterminée, c'est-à-dire "Temps zéro" lorsque le signal interagit avec le système de pompage NCOPA-1 (pompe-1). Ce paramètre peut être modifié en ajustant le retard de la première impulsion de pompe à travers le DL-1. En conséquence, les positions nulles de NCOPA-2, NCOPA-3 et NCOPA-4 peuvent être fixées en ajustant les délais de leurs systèmes de pompage de sorte que le signal amplifié par NCOPA-1 soit également maximisé par NCOPA-2, NCOPA-3 et NCOPA. -4 en même temps.
L'image de trame, qui a été transférée à l'aide de l'impulsion de ralenti (idler-1) et capturée par la caméra CCD-1, est la première image. Les trois images vierges suivantes de CCD-2, CCD-3 et CCD-4 sont devenues les deuxième, troisième et quatrième images, respectivement. Leurs moments à partir du temps zéro ont été ajustés avec DL-2, DL-3 et DL-4 pour modifier les retards des faisceaux de pompe.
Imagerie à matrice plasma ultra-rapide
Pour tester les performances de FINCOPA, un réseau de plasma a été construit comme premier échantillon. Cela est dû au fait qu'un tel réseau présente des structures ajustables avec une période spatiale allant jusqu'à 10 microns et une durée de vie mesurée en picosecondes. Par conséquent, la visualisation d'un tel échantillon nécessite une résolution temporelle subpicoseconde et une résolution spatiale au niveau du micromètre.
Le réseau a été excité avec deux impulsions ultracourtes non colinéaires à 800 nm en utilisant un interféromètre non colinéaire (NCI de l' interféromètre non colinéaire ). L'énergie totale de l'impulsion d'excitation était de 2,4 mJ et la distance focale de la lentille (L) était de 250 mm. La période de réseau est régulée en modifiant l'angle d'intersection des deux faisceaux (2α).
Image n ° 2
sur2a montre la structure du réseau pour 2α = 3,8 degrés, et 2b montre un profil d'intensité unidimensionnel enregistré le long de la ligne blanche verticale sur 2a .
On a constaté que la période de modulation du réseau est de 12 µm, ce qui correspond à une densité de rainure d'environ 83 lp / mm dans le sens vertical. Selon le concept de l'appareil, NCOPA peut résoudre des structures spatiales avec une fréquence spatiale allant jusqu'à 36 lp / mm, de sorte que l'OIS-1 a été ajusté à un grossissement de 3x pour visualiser l'échantillon sur NCOPA pour un réseau de 83 lp mm.
Deux impulsions d'excitation pour l'échantillon provenaient d'un système laser Ti: S avec une fréquence de 1 kHz avec un seul sélecteur d'impulsions. En l'absence d'un sélecteur à impulsion unique, l'événement a été répété avec une fréquence de 1 kHz; par conséquent, il a été détecté par la méthode de détection par pompe.
Le pompage-sondage a été utilisé pour enregistrer l'évolution du réseau plasmatique avec NCOPA-1 et CCD-1, qui, comme on le voit en 2c , comprend 16 fragments d'image.
Chacun des fragments a une ligne blanche verticale pour calibrer la position spatiale dans la direction horizontale. Sur chaque fragment de l'image, le réseau plasma se propage de gauche à droite. Et le point zéro dans le temps a été défini comme le moment où le plasma traverse la ligne blanche sur le premier fragment de l'image ( 2c ).
Le graphique 2d montre la modulation en fonction du retard. Une analyse de ces données suggère qu'après le passage de l'impulsion de pompe à travers la ligne blanche, le réseau de plasma devient monotone plus fort, mais commence à disparaître après 4 ps.
Pour l'imagerie time-lapse, un sélecteur à impulsion unique a été installé à la sortie du système Ti: S pour créer une matrice de plasma à une seule image.
Image # 3
L'image ci-dessus montre quatre groupes d'images, dont chacun comprend quatre images d'enregistrement vidéo de la grille obtenue à l'aide du système FINCOPA (vidéo # 1).
Vidéo # 1
sur 3ales intervalles de temps entre les images vierges adjacentes sont de 100 fs. Cela signifie que FINCOPA fonctionne à une fréquence d'images de 10 Tfps (vidéo n ° 2).
Vidéo # 2
On voit également en 3a que les bandes du réseau plasma de gauche à droite deviennent progressivement visibles avec le temps, ce qui signifie que la densité du plasma électronique augmente de manière monotone de 0 à 300 fs.
En 3b présente les trames en temps 0, 200, 400 et 600 fs, c'est-à-dire avec un intervalle entre les images de 200 fs (vidéo # 3).
Vidéo n ° 3
Les bandes sur le réseau plasma deviennent de plus en plus distinctes, ce qui peut être vérifié en modifiant la modulation le long des lignes blanches ( 3f ).
Basé sur les données des 3e et 3f, l'intervalle entre les images a été augmenté à 1 ps, et le moment NCOPA-1 enregistré a été déplacé du moment de temps zéro à 1 ps (vidéo # 4).
La vidéo №4
sur 3c et 3g montre la courbe de modulation et l'image reflétant une tendance à augmenter le réseau plasma ( 3a et 3b ).
À 3d montre des images à 5, 8, 20 et 30 ps (vidéo №5). La visibilité des franges diminue avec le temps, ce qui signifie que le réseau plasma commence à disparaître progressivement de 5 à 30 ps. En conséquence, contrairement à 3e - 3g , la modulation de 3h diminue avec le temps.
Vidéo # 5
Pour collecter des informations complètes à partir des images 3f - 3h , les caractéristiques temporelles de la modulation normalisée du réseau ont été obtenues à partir des lignes blanches de chaque image (marques bleues en 4a ; les marques rouges correspondent à 2d obtenues par pompage-sondage).
Image №4 La
comparaison des résultats des deux méthodes (c.-à-d. Comparaison des étiquettes rouges et bleues) a montré que les résultats des deux méthodes coïncident, c.-à-d. Le système FINCOPA fonctionne correctement.
Dans le cas où 2α = 2,5 degrés, la période du réseau de plasma devient d'environ 18 μm (c'est-à-dire que la densité d'ombrage est de 56 lp / mm).
Les mêmes expériences ont été réalisées que dans l'image n ° 3, mais avec 2α = 2,5 et non 3,8 degrés. Résultats ( 4b) montrent un bon accord des modulations normalisées entre la méthode de pompage et la méthode FINCOPA.
De plus, l'évolution du réseau le long de la direction de sa propagation a été considérée. À partir de trames 4x4, le coefficient de modulation a été obtenu en fonction de la coordonnée spatiale le long de la direction de propagation pour différentes valeurs de τ, par exemple, 0,8, 1, 2 et 4 ps ( 5a ).
Image n ° 5
Le pic de modulation se décale vers la droite avec l'augmentation de τ, ce qui s'explique par le fait qu'une paire d'impulsions de pompe s'est propagée de gauche à droite. Etant donné que le réseau de plasma est un objet de modulation de faible intensité, le contraste d'image mesuré est relativement faible. Grâce au filtrage spatial, nous avons réussi à supprimer l'arrière-plan et à augmenter le contraste de l'image.
Un autre phénomène observé était que les valeurs de modulation de crête diminuaient avec la distance du centre le long de la direction x. La figure 5b montre l'évolution de la modulation du réseau en fonction du temps de 0 à 30 ps à quatre positions le long de la direction x (c'est-à-dire x = –15, –60, –90 et –500 μm). Toutes les positions montrent une évolution similaire de la modulation, mais les maxima diminuent à mesure que la position est décalée du centre vers la gauche. Ainsi, 5b implique la dépendance de la modulation de réseau sur x, qui peut résulter de la dépendance de l'intensité de l'impulsion d'excitation sur x.
Imagerie ultra-rapide d'un champ optique rotatif
Image # 6
Pour une vérification supplémentaire de la résolution temporelle de FINCOPA, la visualisation (configuration à 7b ) d'un champ optique rotatif ultra-rapide avec une fréquence de 20 Hz et une vitesse de rotation de plus de 10 billions de radians par seconde (Trad / s) a été effectuée.
Image # 7 Un
faible taux de répétition (20 Hz) signifie que ce type de champ optique peut être amplifié à une puissance extrêmement élevée (par exemple, des dizaines de térawatts et même plus). Cependant, pour un système laser, une faible fréquence de répétition est généralement accompagnée d'une grande fluctuation semblable à un saut de ses impulsions de sortie, de sorte que la méthode de détection par pompe peut conduire à une imprécision de mesure significative.
Le champ étudié a été créé par deux impulsions vortex pulsées avec des charges topologiques (± l) et un retard (δt) différents. Si nous ajustons le retard d'une paire d'impulsions pulsées à 1 ps, le champ optique tourne avec une différence de fréquences angulaires Δω = ∼27 Trad / s (c'est-à-dire que le cycle de rotation est de 466 fs).
Le système FINCOPA a visualisé cet événement avec un intervalle de trame Δt = 66,7 fs, soit avec une fréquence de 15 trillions d'images par seconde (vidéo n ° 6). L'image n ° 6 montre un champ tournant d'un angle de ∼0,9π rad en 200 fs.
Vidéo # 6
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de vous pencher sur le rapport des scientifiques .
Épilogue
On dit souvent qu'un maître n'est rien sans ses instruments. C'est peut-être une exagération, car personne n'a annulé les talents, les compétences et les connaissances. Cependant, dans l'aspect de la recherche de processus, les outils jouent un rôle important.
Dans ce travail, les scientifiques ont démontré un système d'imagerie à grande vitesse qui est capable de capturer n'importe quoi à une fréquence d'images allant jusqu'à 15 billions de dollars. Jusqu'à présent, de tels indicateurs n'existaient pas, nous pouvons donc parler en toute sécurité de l'établissement d'un nouveau record.
Les auteurs eux-mêmes sont convaincus que leur idée originale permettra d'apprendre beaucoup de choses nouvelles à la fois dans les phénomènes et processus déjà étudiés, et dans ceux qui ne pouvaient pas encore être envisagés en raison du manque de matériel nécessaire.
Bien entendu, les auteurs de l'étude n'ont pas l'intention de céder à la vantardise, car leur système nécessite des améliorations et des améliorations, ce qui dans le futur peut conduire au fait que la méthode FINCOPA deviendra aussi courante et courante que la microscopie conventionnelle. Au moins, c'est le rêve des scientifiques. Le temps nous dira si cela deviendra une réalité.
Merci pour votre attention, restez curieux et passez une bonne semaine de travail, les gars. :)
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