Capturando no

26 de mayo de 2023

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por Julie Robert, Instituto Nacional de Investigaciones Científicas - INRS

Un equipo de investigación del Institut national de la recherche scientifique (INRS) dirigido por el profesor Roberto Morandotti informó sobre la primera realización de un sistema de fotografía de terahercios (THz) ultrarrápidos de disparo único. Este importante logro publicado en Nature Communications podrá proporcionar la evolución espacial y temporal de la dinámica ultracorta con una resolución inferior al picosegundo.

En otras palabras, los investigadores ahora podrán descubrir las leyes ocultas de la naturaleza que rigen la dinámica, que requieren velocidades de generación de imágenes de órdenes de magnitud más allá de los límites de los sensores electrónicos.

A diferencia del rápido desarrollo de imágenes ultrarrápidas en longitudes de onda ópticas convencionales, las imágenes ultrarrápidas de disparo único con radiación THz siguen sin explorarse. Esto se debe principalmente a la grave falta de dispositivos clave en el régimen de frecuencia de THz, como cámaras y moduladores de alta velocidad, que suelen ser indispensables para la obtención de imágenes ultrarrápidas.

"Este trabajo es un logro importante de nuestro equipo y colaboradores en el campo de la óptica. Al aprovechar la capacidad de penetración única de la radiación THz, nuestro sistema pudo capturar eventos ultracortos en escenarios ópticamente opacos, a los que normalmente no se puede acceder a través de medios convencionales. frecuencias ópticas", dice el profesor Roberto Morandotti, líder científico del Laboratorio de Manipulación de Luz de Ultra Alta Velocidad y autor correspondiente del estudio.

"Hemos desbloqueado con éxito imágenes ultrarrápidas de disparo único en el régimen de THz. Gracias a nuestro trabajo, ahora podemos capturar una película de fenómenos ultrarrápidos irreversibles con un intervalo de tiempo entre cuadros de menos de 1 picosegundo", afirma Junliang Dong, investigador asociado. en el laboratorio de Morandotti en el INRS y primer autor del estudio.

La fotografía ultrarrápida de un solo disparo se ha convertido en una técnica clave para dilucidar la dinámica compleja que subyace a varios fenómenos ultrarrápidos en la naturaleza. Impulsada por los avances recientes en los campos de los láseres ultrarrápidos, las cámaras de alta velocidad y las imágenes computacionales, la imagen óptica ultrarrápida de disparo único ha sido capaz de capturar escenas transitorias bidimensionales (2D) a más de un billón de fotogramas por segundo, lo suficientemente rápido para visualizar pulsos ópticos viajando a través del espacio a la velocidad de la luz.

Sin embargo, las técnicas de imagen ultrarrápidas de disparo único de última generación requieren que los objetivos de imagen sean ópticamente transparentes. Esta restricción impide que tales técnicas exploren muchos fenómenos ultrarrápidos críticos que ocurren en medios con una profundidad de penetración óptica corta, como la dinámica de la ablación láser en cerámica, la magnetización en películas de hierro y las excitaciones de portadores en semiconductores.

Recientemente, las imágenes que utilizan radiación THz han despertado un gran interés debido a su capacidad para "ver a través" de diversos materiales. Sin embargo, las imágenes de THz ultrarrápidas de disparo único todavía se encuentran en una etapa embrionaria debido a la ausencia de cámaras de THz de alta velocidad.

En este estudio, el equipo de Morandotti del Centro de Investigación de Telecomunicaciones INRS Énergie Matériaux Télécommunications explotó la técnica de muestreo electroóptico para la detección de THz con un haz de sonda óptica cuidadosamente diseñado, que se multiplexa simultáneamente en los dominios de frecuencia espacial y temporal.

"Dado que solo se basa en componentes ópticos comúnmente disponibles, como divisores de haz, líneas de retardo ópticas, rejillas y cámaras CCD, nuestra técnica esencialmente evita la necesidad de cualquier dispositivo de alta velocidad de THz. Aun así, es lo suficientemente potente como para registrar la escenas ultrarrápidas transportadas por ondas THz en una sola toma", explica el profesor Morandotti.

Ocurriendo en un espacio bidimensional y escalas de tiempo de femtosegundos a picosegundos, las imágenes en tiempo real de estos eventos transitorios reflejan varios mecanismos fundamentales que siguen siendo complejos y en su mayoría inaccesibles, como las reacciones químicas y las interacciones luz-materia.

Convencionalmente, los métodos de bomba-sonda se utilizan para registrar dinámicas ultrarrápidas a través de mediciones repetidas. Sin embargo, muchos fenómenos ultrarrápidos tienen variaciones significativas entre disparos y bajas tasas de ocurrencia, lo que los hace "no repetibles".

Según los investigadores, se prevé que su sistema sea una herramienta sin precedentes para la investigación de dinámicas no repetibles o destructivas en materiales y estructuras avanzados, como materiales 2D, e incluso materia biológica, como piel y córneas, que suelen ser ópticamente opacas. .

Más información: Junliang Dong et al, fotografía ultrarrápida de terahercios de disparo único, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37285-3

Información del diario:Comunicaciones de la naturaleza

Proporcionado por el Instituto Nacional de Investigaciones Científicas - INRS