A câmera mais rápida do mundo congela o tempo em 10 trilhões de quadros por segundo

O sistema de fotografia ultrarrápida de trilhão de quadros por segundo comprimido. Crédito: INRS

O que acontece quando uma nova tecnologia é tão precisa que opera em escala além de nossos recursos de caracterização? Por exemplo, os lasers usados ​​no INRS produzem pulsos ultracurtos na faixa de femtossegundos (10 -15 s), que são muito curtos para serem visualizados. Embora algumas medidas sejam possíveis, nada bate uma imagem clara, diz o professor da INRS e especialista em imagens ultrarrápidas Jinyang Liang. Ele e seus colegas, liderados por Lihong Wang, da Caltech, desenvolveram o que eles chamam de T-CUP: a câmera mais rápida do mundo, capaz de capturar 10 trilhões (10 13 ) quadros por segundo (Fig. 1). Esta nova câmera literalmente permite congelar o tempo para ver fenômenos - e até mesmo a luz - em movimentos extremamente lentos.

Nos últimos anos, a junção entre inovações em óptica não linear e imagens abriu a porta para métodos novos e altamente eficientes para análise microscópica de fenômenos dinâmicos em biologia e física. Mas aproveitar o potencial desses métodos requer uma maneira de gravar imagens em tempo real com uma resolução temporal muito curta - em uma única exposição.

Usando técnicas de imagem atuais, as medições feitas com pulsos de laser ultracurtos devem ser repetidas muitas vezes, o que é apropriado para alguns tipos de amostras inertes, mas impossível para outras mais frágeis. Por exemplo, o vidro gravado a laser pode tolerar apenas um único pulso de laser, deixando menos de um picossegundo para capturar os resultados. Nesse caso, a técnica de imagem deve ser capaz de capturar todo o processo em tempo real.

A fotografia ultra-rápida comprimida (CUP) foi um bom ponto de partida. Com 100 bilhões de quadros por segundo, esse método abordou, mas não atendeu, as especificações necessárias para integrar lasers de femtossegundos. Para melhorar o conceito, o novo sistema T-CUP foi desenvolvido com base em uma câmera de faixa de femtosegundo que também incorpora um tipo de aquisição de dados usado em aplicações como a tomografia.

"Nós sabíamos que usando apenas uma câmera com faixa de femtossegundo, a qualidade da imagem seria limitada", diz o professor Lihong Wang, professor de Engenharia Médica e Engenharia Elétrica da Caltech e diretor do Laboratório de Imagens Ópticas Caltech (COIL). "Para melhorar isso, adicionamos outra câmera que adquire uma imagem estática. Combinada com a imagem adquirida pela câmera de riscas de femtossegundos , podemos usar o que chamamos de transformação Radon para obter imagens de alta qualidade enquanto gravamos dez trilhões de quadros por segundo. "

Definindo o recorde mundial de velocidade de geração de imagens em tempo real, o T-CUP pode alimentar uma nova geração de microscópios para biomedicina, ciência de materiais e outras aplicações. Esta câmera representa uma mudança fundamental, possibilitando analisar as interações entre luz e matéria em uma resolução temporal sem paralelos.

A primeira vez que foi usada, a câmera ultrarrápida inovou ao capturar a focagem temporal de um único pulso de laser de femtosegundo em tempo real (Fig. 2). Esse processo foi registrado em 25 quadros tirados em um intervalo de 400 femtosegundos e detalhou a forma, a intensidade e o ângulo de inclinação do pulso de luz.

"É uma conquista em si", diz Jinyang Liang, o principal autor deste trabalho, que era engenheiro na COIL quando a pesquisa foi conduzida ", mas já vemos possibilidades de aumentar a velocidade para até um quatrilhão (10 exp 15 ) quadros por segundo!" Velocidades como essa certamente oferecerão insights sobre segredos ainda não detectáveis ​​das interações entre luz e matéria.

Fonte - Phys.org

Expandindo referencias:

Nature - DOI: 10.1038/s41377-018-0044-7


A saber:

Femtossegundo é a unidade de tempo do SI igual a 10 a 15 segundos. Isso é um quadrilionésimo, ou um milionésimo de um bilionésimo de segundo. Para o contexto, um femtosegundo é para um segundo o que um segundo é para cerca de 31,7 milhões de anos.

A palavra femtosegundo é formada pelo prefixo SI femto e a unidade SI segundo . Seu símbolo é fs .

Um femtossegundo é igual a 1000 attossegundos, ou 1/1000 picossegundos. Como a próxima unidade SI mais alta é 1000 vezes maior, os tempos de 10-14 e 10-13 segundos são tipicamente expressos como dezenas ou centenas de femtossegundos. (Phys.org)