Cada segundo, ocurren muchos procesos físicos y químicos a nuestro alrededor, que son extremadamente difíciles de registrar. La complejidad radica no solo en las dimensiones de los objetos involucrados, sino también en la velocidad de los propios procesos. El disparo a alta velocidad juega un papel importante en la investigación moderna, ya que le permite capturar fenómenos dinámicos ultrarrápidos. Pero incluso esta tecnología tiene su límite, que puede indicarse exageradamente por fotogramas por segundo. Científicos de la Universidad de Shenzhen (China) pudieron crear un sistema exclusivamente óptico capaz de alcanzar 15 billones de fotogramas por segundo. ¿Qué técnicas y fenómenos se utilizaron en este desarrollo, qué experimentos prácticos mostraron y dónde puede esta creación encontrar su aplicación? Encontraremos respuestas a estas preguntas en el informe de los científicos. Vamos.
Base de investigación
La obtención de imágenes de alta velocidad es una herramienta esencial para estudiar procesos dinámicos tan rápidos como la ablación con láser de femtosegundos, la propagación de filamentos láser, la dinámica molecular, la interacción de ondas de choque en células vivas, etc.
Como era de esperar, las imágenes ópticas ultrarrápidas, que pueden proporcionar una visualización sin borrosidad de los transitorios, son una herramienta deseable para los científicos de una amplia variedad de campos de la ciencia (química, física, ingeniería óptica, ciencia de materiales, biomedicina, etc.).
Por el momento, ya existen una serie de técnicas que le permiten lograr resultados bastante buenos en el campo de la imagen óptica. Por ejemplo, las imágenes de resolución temporal, basadas en técnicas de bomba y sonda, hacen un excelente trabajo de dinámica transitoria reproducible con altas tasas de repetición. Sin embargo, esta técnica pierde su ventaja cuando se trabaja con procesos que tienen una tasa de repetición baja o que no se repiten en absoluto.
Las imágenes ópticas de un disparo pueden reemplazar el método de detección de bombas. Algunas obras incluso lograron alcanzar los 25 millones de cuadros por segundo (Mfps). Y aquí hay una foto ultrarrápida comprimida (CUP por fotografía ultrarrápida comprimida) Puede funcionar a una velocidad de cuadro de 0,1 trillones de cuadros por segundo (Tfps) con una resolución de tiempo de aproximadamente 50 ps aplicando el algoritmo basado en el algoritmo de detección de compresión * ( detección de compresión ).
La detección de compresión (detección de compresión) * es una técnica para obtener y restaurar una señal conociendo sus valores anteriores, que están enrarecidos o comprimidos.La resolución espacial de este método se puede escalar hasta 7 lp / mm (pares de líneas por milímetro, en adelante, lp / mm). Si agrega una lente de 20x, obtiene una fotografía ultrarrápida comprimida sensible a la fase (pCUP), capaz de ofrecer una resolución espacial de unos pocos micrómetros y una velocidad de imagen de 1 Tfps.
Esta técnica puede lograr una buena resolución espacial, lo que no se puede decir de la resolución temporal. Por lo tanto, se necesita un método que pueda combinar los puntos fuertes de los métodos anteriores.
Según los científicos, un gran candidato para este papel es la amplificación paramétrica óptica adecuada (OPA por amplificación paramétrica óptica). Al aplicar OPA a una imagen óptica, la información contenida en la señal se puede copiar a una imagen "en blanco". Esta característica ha inspirado a los científicos a crear un nuevo método de imagen óptica ultrarrápida de un solo disparo llamado imagen de amplificación paramétrica óptica no colineal (FINCOPA para imágenes de encuadre basadas en amplificación paramétrica óptica no colineal ; NCOPA para amplificación paramétrica óptica no colineal ).
El dispositivo no colineal permite convertir información en cuadros sucesivos en imágenes en blanco separadas espacialmente utilizando amplificadores paramétricos ópticos de múltiples etapas bombeados por una serie de pulsos láser.
Este método totalmente óptico también evita los cuellos de botella asociados con los componentes mecánicos y electrónicos activos para un escaneo rápido, que es fundamental para altas velocidades de cuadro.
Cómo funciona FINCOPA
Imagen # 1
El diagrama de arriba es una ilustración del sistema FINCOPA. Se utilizó un pulso de muestreo con un ancho temporal suficientemente grande para capturar toda la información en el transitorio objetivo. Además, se utilizó una secuencia de pulsos ultracortos (etiquetados como disparador 1, 2, 3 y 4) para disparar y cambiar la información de la imagen de diferentes segmentos de tiempo del pulso de muestra a otra secuencia de pulsos ultracortos (etiquetados como registrados 1, 2, 3 y 4). ) utilizando convertidores de imágenes ópticos en cascada. Dado que las imágenes grabadas están separadas espacialmente entre sí, pueden ser recibidas por diferentes cámaras CCD (CCD de dispositivo de carga acoplada ).
Los intervalos de fotogramas están determinados por los retrasos relativos entre el pulso de muestra y los pulsos de disparo, mientras que el tiempo de exposición de las imágenes se puede estimar utilizando la duración de los pulsos de disparo. Por tanto, el tiempo de exposición, la velocidad de fotogramas efectiva y el número de fotogramas son independientes entre sí.
Para implementar esta idea, se requiere un sistema láser de femtosegundos con una resolución de tiempo de femtosegundos. Como señalan los científicos, la sincronización de tiempo precisa entre los pulsos de disparo y el pulso de muestreo es extremadamente importante aquí. Esto se logró obteniendo tanto un pulso de muestreo como pulsos de disparo de la misma fuente láser, lo que reduce las fluctuaciones de tiempo entre pulsos sincronizados a varios femtosegundos. El número de fotograma (N) está determinado por la relación entre la potencia de pulso de disparo total disponible y la potencia necesaria para disparar cada convertidor de imagen óptica.
OPA puede mostrar información de la señal en una imagen inactiva, por lo que los amplificadores paramétricos ópticos pueden servir como convertidores de imágenes. Además, el uso de pulsos ultracortos como bombeo para OPA significa tiempos de exposición cortos para imágenes de OPA, es decir, alta resolución temporal.
En un amplificador paramétrico óptico, OPA ocurre solo durante la interacción entre la bomba y la señal, lo que significa que la información de la imagen se muestra en inactivo solo bajo la acción de la bomba. La bomba tiene un ancho de pulso mucho más corto que la señal, por lo que puede actuar como un obturador óptico. La velocidad del obturador se puede estimar a partir de la duración del pulso de la bomba, y la resolución temporal está determinada principalmente por la duración del pulso inactivo. Ambas duraciones serán iguales entre sí si el grosor de los cristales de OPA es lo suficientemente delgado como para suprimir la desviación de tiempo entre la señal y los pulsos de la bomba.
Además, la duración ultra corta del pulso de la bomba contribuye a una alta intensidad de la bomba (por ejemplo,> 100 GW / cm 2), lo que también tiene un efecto positivo en la ganancia de OPA y permitirá lograr un gran ancho de banda espacio-temporal.
En otras palabras, la intensidad de la bomba para el OPA está determinada por la ganancia y el ancho de banda de OPA requeridos, pero también está limitada por el tamaño de imagen requerido y la potencia de bomba disponible para el OPA.
Para una intensidad de bombeo particular y tamaño de imagen o área de bombeo de cada amplificador, el número de amplificadores o el número de cuadros se puede estimar dividiendo la potencia de bombeo total por la potencia de bombeo de cada amplificador. Además, el retardo de tiempo entre el pulso de la bomba y el pulso de la señal determina los segmentos de tiempo expuestos de la señal en cada amplificador (τ).
A partir de las diferencias entre cada valor de τ, se pueden determinar los intervalos de cuadro. En el sistema FINCOPA, el valor de τ está limitado solo por los tamaños de paso mínimos disponibles de las líneas de retardo de tiempo (DL de las líneas de retardo ) y las fluctuaciones de las trayectorias del rayo láser. Normalmente, el intervalo de fotogramas es más largo que la duración del pulso de la bomba.
La Figura 1b muestra una configuración FINCOPA experimental.
El láser de femtosegundo titanio-zafiro utilizado tiene los siguientes parámetros: 1 kHz; 800 nm; 3,5 mJ; con una duración de pulso de ~ 40 fs. La salida del láser pasa primero a través de un segundo generador de armónicos (SHG): cristal β-BBO de 0,2 mm. La resolución de tiempo de la configuración experimental es de aproximadamente 50 fs.
Aproximadamente el 30% del pulso láser se convierte en el segundo armónico (es decir, un pulso de 400 nm) con una duración de pulso de ~ 40 fs. Después de pasar a través del separador de longitud de onda (WS ), el pulso de 400 nm se divide en cuatro pulsos secundarios por un grupo divisor de haz (BSG ), incluidos tres divisores 50:50, para bombear cuatro amplificadores paramétricos ópticos (NCOPA-1 ... NCOPA -4). El número de amplificadores o el número de fotogramas es igual a cuatro, que está limitado principalmente por la potencia de salida de pulso del sistema láser de femtosegundos (~ 3,5 W a 1 kHz). Si la energía del láser de femtosegundos alcanza los 7 W, el número de fotogramas se puede estimar en 4 x 7 / 3,5 = 8.
El pulso fundamental no convertido de 800 nm es reflejado por WS. Aproximadamente el 1% de un pulso láser con una longitud de onda de 800 nm se dirige a un alargador de pulso (PS ), un distribuidor de pulso que aumenta la duración del pulso a 50 ps. El pulso expandido actúa luego como una muestra para iluminar el evento ultrarrápido objetivo, así como una señal para los siguientes amplificadores paramétricos ópticos.
En la configuración anterior, se utilizan cuatro sistemas de imágenes ópticas (OIS-1 a OIS-4) entre el objetivo y los amplificadores paramétricos ópticos, de modo que los planos del objetivo y los planos del amplificador estén acoplados entre sí. El OIS-1 muestra el objetivo en el NCOPA-1 usando un zoom óptico para igualar el ancho de banda espacial del amplificador, optimizando así la calidad de la imagen. OIS-2, OIS-3 y OIS-4 se utilizan para la visualización de relés 1x. Cuatro piezas de cristales de β-BBO con un espesor de 0,5 mm y una sección transversal de 29,2 grados funcionan para OPA con emparejamiento de fase tipo I.
En cada amplificador, la bomba y la señal están ubicadas con un pequeño ángulo de intersección (~ 2 grados) dentro de los cristales de β-BBO, de modo que la imagen en blanco generada se desvía espacialmente de ambos. El tiempo de retardo entre ellos se puede ajustar de forma independiente mediante DL (DL-1 a DL-4).
Cada ruta en blanco utiliza una lente para mostrar un cristal β-BBO en una cámara CCD para optimizar la calidad de la imagen.
Características del sistema FINCOPA
El uso de un pulso láser de femtosegundos como bomba para la obtención de imágenes de OPA tiene varias ventajas. Primero, un pulso de bombeo más fuerte puede proporcionar una mayor ganancia en la ganancia paramétrica óptica. En segundo lugar, dicho pulso permite obtener un gran ancho de banda espacial.
La intensidad de la bomba disponible está limitada principalmente por el daño del láser en el cristal OPA, que también depende de la duración del pulso de la bomba: cuanto menor sea la duración del bombeo, mayor será la intensidad disponible. Para pulsos de femtosegundos, la intensidad de la bomba puede alcanzar cientos de GW / cm 2 . Pero los pulsos de nanosegundos suelen tener una intensidad inferior a 10 GW / cm 2... En los experimentos llevados a cabo, el bombeo se estableció en 15 GW / cm 2 y la ganancia de OPA fue de aproximadamente 30.
La calibración espacial y temporal tuvo que realizarse antes de la prueba real.
Para empezar, fue necesario calibrar la posición lateral de los cuatro CCD y el aumento del sistema de imagen óptica. Esto se hizo capturando simultáneamente imágenes de prueba del CCD.
A continuación, se determinó el tiempo inicial, es decir "Tiempo cero" cuando la señal interactúa con el sistema de bombeo NCOPA-1 (bomba-1). Este parámetro se puede cambiar ajustando el retardo del primer pulso de la bomba a través del DL-1. Por consiguiente, las posiciones nulas de NCOPA-2, NCOPA-3 y NCOPA-4 se pueden fijar ajustando los retrasos de tiempo de sus sistemas de bombeo de modo que la señal amplificada por NCOPA-1 también se maximice por NCOPA-2, NCOPA-3 y NCOPA. -4 al mismo tiempo.
La imagen del marco, que se transfirió utilizando el pulso del ralentí (idler-1) y capturada por la cámara CCD-1, es la primera imagen. Las siguientes tres imágenes en blanco de CCD-2, CCD-3 y CCD-4 se convirtieron en la segunda, tercera y cuarta imágenes, respectivamente. Sus momentos desde el tiempo cero se ajustaron con DL-2, DL-3 y DL-4 para cambiar los tiempos de retardo de los haces de bombeo.
Imágenes de matriz de plasma ultrarrápidas
Para probar el rendimiento de FINCOPA, se construyó una matriz de plasma como primera muestra. Esto se debe al hecho de que dicha rejilla tiene estructuras ajustables con un período espacial de hasta 10 micrones y una vida útil medida en picosegundos. Por lo tanto, la visualización de una muestra de este tipo requiere una resolución temporal de subpicosegundos y una resolución espacial a nivel micrométrico.
La rejilla se excitó con dos pulsos ultracortos no colineales a 800 nm usando un interferómetro no colineal (NCI de interferómetro no colineal ). La energía total del pulso de excitación fue de 2,4 mJ y la distancia focal de la lente (L) fue de 250 mm. El período de rejilla se regula cambiando el ángulo de intersección de los dos haces (2α).
Imagen No. 2
en2a muestra la estructura de rejilla para 2α = 3,8 grados, y 2b muestra un perfil de intensidad unidimensional registrado a lo largo de la línea blanca vertical en 2a .
Se encontró que el período de modulación de la red es de 12 µm, lo que corresponde a una densidad de surco de aproximadamente 83 lp / mm en la dirección vertical. Según el concepto del dispositivo, NCOPA puede resolver estructuras espaciales con una frecuencia espacial de hasta 36 lp / mm, por lo que el OIS-1 se ajustó a un aumento de 3x para visualizar la muestra en NCOPA para una rejilla de 83 lp mm.
Dos pulsos de excitación para la muestra provinieron de un sistema láser Ti: S con una frecuencia de 1 kHz junto con un selector de pulso único. En ausencia de un selector de pulso único, el evento se repitió con una frecuencia de 1 kHz; por lo tanto, se detectó mediante el método de detección de bomba.
Se utilizó el sondeo con bomba para registrar la evolución de la red de plasma con NCOPA-1 y CCD-1, que, como se ve en 2c , incluye 16 fragmentos de imagen.
Cada uno de los fragmentos tiene una línea blanca vertical para calibrar la posición espacial en la dirección horizontal. En cada fragmento de la imagen, la rejilla de plasma se propaga de izquierda a derecha. Y el punto cero en el tiempo se definió como el momento en que el plasma cruza la línea blanca en el primer fragmento de la imagen ( 2c ).
El gráfico 2d muestra la modulación frente al retardo. Un análisis de estos datos sugiere que después de que el pulso de la bomba pasa a través de la línea blanca, la rejilla de plasma se vuelve monótonamente más fuerte, pero comienza a desaparecer después de 4 ps.
Para la obtención de imágenes de lapso de tiempo, se instaló un selector de pulso único en la salida del sistema Ti: S para crear una matriz de plasma de cuadro único.
Imagen # 3
La imagen de arriba muestra cuatro grupos de imágenes, cada uno de los cuales incluye cuatro cuadros de grabación de video de la cuadrícula obtenida usando el sistema FINCOPA (video # 1).
Video n. ° 1
en 3alos intervalos de tiempo entre imágenes en blanco adyacentes son 100 fs. Esto significa que FINCOPA opera a una velocidad de cuadros de 10 Tfps (video n. ° 2).
Video # 2
También se ve en 3a que las franjas de la rejilla de plasma de izquierda a derecha se hacen visibles gradualmente con el tiempo, lo que significa que la densidad del plasma de electrones aumenta monótonamente de 0 a 300 fs.
En 3b presenta los fotogramas en el tiempo 0, 200, 400 y 600 fs, es decir con un intervalo entre cuadros 200 fs (video # 3).
Video n. ° 3
Las rayas en la rejilla de plasma son cada vez más nítidas, lo que puede comprobarse cambiando la modulación a lo largo de las líneas blancas ( 3f ).
Basado en datos de 3e y 3f, el intervalo entre cuadros se incrementó a 1 ps, y el momento NCOPA-1 registrado se movió del momento de tiempo cero a 1 ps (video # 4).
El vídeo №4
En 3c y 3g muestra la curva de modulación y la imagen que refleja una tendencia a aumentar la rejilla de plasma ( 3a y 3b ).
En 3d muestra fotogramas a 5, 8, 20 y 30 ps (vídeo №5). La visibilidad de las franjas disminuye con el tiempo, lo que significa que la rejilla de plasma comienza a desaparecer gradualmente de 5 a 30 ps. Como resultado, a diferencia de 3e - 3g , la modulación en 3h disminuye con el tiempo.
Video # 5
Para recolectar información completa de las imágenes 3e - 3h , las características temporales de la modulación normalizada de la rejilla se obtuvieron a partir de las líneas blancas de cada imagen (marcas azules en 4a ; marcas rojas corresponden a 2d obtenidas por bombeo-sondeo).
Imagen №4 La
comparación de los resultados de ambos métodos (es decir, la comparación de las etiquetas roja y azul) mostró que los resultados de ambos métodos coinciden, es decir, El sistema FINCOPA está funcionando correctamente.
En el caso de que 2α = 2,5 grados, el período de la rejilla de plasma se vuelve de aproximadamente 18 μm (es decir, la densidad de sombreado es de 56 lp / mm).
Se llevaron a cabo los mismos experimentos que en la imagen # 3, pero con 2α = 2.5, no 3.8 grados. Resultados ( 4b) muestran una buena concordancia de las modulaciones normalizadas entre el método de sondeo por bomba y el método FINCOPA.
Además, se consideró la evolución de la celosía a lo largo de la dirección de su propagación. A partir de cuadros 4x4, se obtuvo el coeficiente de modulación en función de la coordenada espacial a lo largo de la dirección de propagación a diferentes valores de τ, por ejemplo, 0.8, 1, 2 y 4 ps ( 5a ).
Imagen No. 5
El pico de modulación se desplaza hacia la derecha al aumentar τ, lo que se explica por el hecho de que un par de pulsos de bomba se propagan de izquierda a derecha. Dado que la rejilla de plasma es un objeto de modulación de baja intensidad, el contraste de imagen medido es relativamente bajo. Usando el filtrado espacial, fue posible eliminar el fondo y aumentar el contraste de la imagen.
Otro fenómeno observado fue que los valores máximos de modulación disminuyeron con la distancia desde el centro a lo largo de la dirección x. La Figura 5b muestra la evolución de la modulación de la red en función del tiempo de 0 a 30 ps en cuatro posiciones a lo largo de la dirección x (es decir, x = –15, –60, –90 y –500 μm). Todas las posiciones muestran una evolución de modulación similar, pero los máximos disminuyen a medida que la posición se desplaza del centro a la izquierda. Por tanto, 5b implica la dependencia de la modulación de rejilla de x, que puede resultar de la dependencia de la intensidad del pulso de excitación de x.
Imágenes ultrarrápidas de un campo óptico giratorio
Imagen # 6
Para una verificación adicional de la resolución temporal de FINCOPA, se realizó la visualización (configuración en 7b ) de un campo óptico giratorio ultrarrápido con una frecuencia de 20 Hz y una velocidad de rotación de más de 10 billones de radianes por segundo (Trad / s).
Imagen n. ° 7
La tasa de repetición baja (20 Hz) significa que este tipo de campo óptico se puede amplificar a una potencia extremadamente alta (por ejemplo, decenas de teravatios e incluso más). Sin embargo, para un sistema láser, una tasa de repetición baja suele ir acompañada de una gran fluctuación similar a un salto de sus pulsos de salida, de modo que el método de detección de bomba puede conducir a una inexactitud de medición significativa.
El campo estudiado fue creado por dos pulsos de vórtice chirridos con diferentes cargas topológicas (± l) y retardo de tiempo (δt). Si ajustamos el retardo de tiempo de un par de pulsos chirridos a 1 ps, el campo óptico gira con una diferencia en las frecuencias angulares Δω = ∼27 Trad / s (es decir, el ciclo de rotación es 466 fs).
El sistema FINCOPA visualizó este evento con un intervalo de fotogramas de Δt = 66,7 fs, es decir, con una frecuencia de 15 billones de fotogramas por segundo (video n. ° 6). La imagen n. ° 6 muestra un campo que gira en un ángulo de ∼0,9π rad en 200 fs.
Video n. ° 6
Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos .
Epílogo
A menudo se dice que un maestro no es nada sin sus instrumentos. Quizás esto sea una exageración, porque el talento, las habilidades y los conocimientos no se han cancelado. Sin embargo, en el aspecto de la investigación de cualquier proceso, las herramientas juegan un papel importante.
En este trabajo, los científicos han demostrado un sistema de imágenes de alta velocidad que funciona y que es capaz de capturar cualquier cosa a una velocidad de cuadros de hasta 15 billones. Hasta ahora, no ha habido tales indicadores, por lo que podemos hablar con seguridad de establecer un nuevo récord.
Los propios autores confían en que su creación permitirá aprender muchas cosas nuevas tanto en los fenómenos y procesos que ya se han estudiado, como en aquellos que aún no pudieron ser considerados por la falta del equipamiento necesario.
Por supuesto, los autores del estudio no pretenden ceder a la fanfarronada, porque su sistema requiere mejoras y mejoras que en el futuro pueden llevar a que el método FINCOPA se vuelva tan común y común como la microscopía convencional. Al menos este es el sueño de los científicos. El tiempo dirá si se convertirá en realidad.
Gracias por su atención, mantengan la curiosidad y tengan una buena semana de trabajo, chicos. :)
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