Les chercheurs ont développé une nouvelle technique d’imagerie qui capture plus d’informations sur les processus ultrarapides dans le monde microscopique qu’il n’était possible auparavant. Cette technique offre aux scientifiques un nouvel outil puissant pour observer et analyser un large éventail de phénomènes ultrarapides – qui peuvent se produire en centaines de femtosecondes – avec des détails et une vitesse sans précédent.

« Dans les domaines de la physique, de la chimie, de la biologie et de la science des matériaux, de nombreux phénomènes importants se produisent incroyablement rapidement », a déclaré Yunhua Yao, chef de l’équipe de recherche de l’Université normale de Chine orientale. « Notre nouvelle technique peut capturer l’évolution complète de la luminosité et de la structure interne d’un objet en une seule mesure. Il s’agit d’un grand pas en avant pour comprendre la nature fondamentale de la matière, concevoir de nouveaux matériaux et même découvrir les mystères des processus biologiques. »

Dans OPTIQUEDans le journal d’Optica Publishing Group pour la recherche à fort impact, les chercheurs décrivent leur nouvelle technique d’imagerie ultrarapide, appelée imagerie femtoseconde à modulation cohérente spectrale-temporelle compressée (CST-CMFI). Ils l’ont utilisé pour observer des processus ultrarapides, notamment l’évolution en temps réel du plasma généré par un laser femtoseconde dans l’eau et des porteurs excités par un laser femtoseconde dans le ZnSe.

« En plus d’aider les scientifiques à étudier les matériaux qui changent instantanément en réponse à la lumière laser, les réactions chimiques qui réorganisent les atomes à la vitesse de l’éclair et le comportement dynamique des biomolécules sur des délais incroyablement courts, le CST-CMFI pourrait contribuer à améliorer les technologies laser de haute puissance utilisées pour la recherche sur les énergies propres, la fabrication avancée et l’instrumentation scientifique », a déclaré Yao. « Cela pourrait également conduire au développement d’une électronique plus efficace, de cellules solaires améliorées et de dispositifs plus rapides en permettant une meilleure compréhension du comportement des matériaux à des échelles de temps extrêmement rapides. »

Capturer plus d’informations

La recherche fait partie d’un effort plus vaste mené au laboratoire d’imagerie optique extrême de l’université normale de Chine orientale visant à développer des technologies de caméras ultrarapides, en particulier celles utilisées pour l’imagerie optique ultrarapide à prise unique. Ces techniques capturent des événements incroyablement rapides qui ne peuvent pas être répétés en utilisant une seule exposition, un peu comme la capture d’une seule image d’un film.

Historiquement, l’imagerie optique ultrarapide en une seule prise ne pouvait capturer que les changements de luminosité ou d’intensité lumineuse d’un objet. Cependant, les caractéristiques de phase de la lumière contiennent des informations sur la façon dont la lumière se courbe ou change de vitesse lorsqu’elle traverse un objet. Dans ce nouveau travail, les chercheurs visaient à développer une méthode permettant de capturer simultanément et en temps réel les changements ultrarapides de l’intensité d’un objet, ainsi que sa distribution de phase.

Pour relever ce défi, ils ont combiné la cartographie du spectre temporel, l’imagerie spectrale compressive et l’imagerie à modulation cohérente, leur permettant ainsi de tirer parti des atouts de chaque méthode : capturer des changements très rapides, collecter davantage de données en une seule séquence et enregistrer des informations d’image détaillées.

Pour ce faire, ils ont utilisé une impulsion laser gazouillée, qui contient différentes longueurs d’onde de lumière qui arrivent chacune à des moments légèrement différents, permettant de coder le temps en longueur d’onde. Lorsque cette impulsion interagit avec un événement ultrarapide, la lumière diffusée transporte des informations spatiales, spectrales et de phase, qui sont compressées en une seule image à l’aide d’une imagerie à modulation cohérente codée par dispersion.

Un réseau neuronal basé sur la physique reconstruit ensuite les données en séparant les longueurs d’onde et en récupérant l’intensité et la phase à chaque instant. Étant donné que chaque longueur d’onde correspond à un moment différent, la reconstruction produit une séquence d’images qui forme un film ultrarapide capturé à partir d’une seule exposition.

Observer des phénomènes ultra-rapides

Pour démontrer l’efficacité de leur méthode, les chercheurs l’ont utilisée pour observer deux types de phénomènes ultrarapides. La première consistait à capturer l’évolution en temps réel du plasma généré par un laser femtoseconde dans l’eau. Une meilleure compréhension de ce processus pourrait être utile, par exemple, dans le cadre de la chirurgie au laser et des procédures médicales. Les résultats ont clairement montré les changements d’intensité et de phase au sein du canal plasmatique. Les chercheurs ont observé la formation d’un plasma dense d’électrons libres dans la région focale, ce qui provoque une absorption importante et des modifications de l’indice de réfraction de l’eau.

Ils ont également utilisé cette méthode pour étudier la dynamique des porteurs dans le ZnSe afin de mieux comprendre comment les charges électriques se comportent à l’intérieur du matériau après son excitation par la lumière. Ce type d’informations est utile pour concevoir des dispositifs optiques et électroniques meilleurs, plus rapides et plus efficaces avec ce matériau.

« En utilisant CST-CMFI, nous avons pu observer des variations de phase associées à la dynamique des porteurs, même lorsqu’il n’y avait aucun changement significatif d’intensité », a déclaré Yao. « Cela met en évidence un avantage clé de notre méthode : les mesures de phase peuvent être beaucoup plus sensibles que les mesures d’intensité pour détecter des processus ultrarapides subtils. »

Ensuite, les chercheurs prévoient d’élargir le champ d’application de la nouvelle méthode en l’utilisant pour observer des phénomènes tels que la dynamique des interfaces et les transitions de phase ultrarapides, qui nécessitent tous deux de détecter de très petits changements dans la phase des ondes lumineuses.

Actuellement, CST-CMFI convertit les informations spectrales en informations temporelles, ce qui le rend inadapté aux processus ultrarapides très sensibles aux changements spectraux. Pour surmonter ce problème, les chercheurs visent à combiner les principes du CST-CMFI avec la photographie ultrarapide compressive pour développer une méthode d’imagerie qui résout séparément les informations spectrales et temporelles. Ils affirment que ces progrès élargiront considérablement l’utilité pratique et l’applicabilité généralisée de la technologie.