A aquisição de imagens de processos ultrarrápidos é uma tecnologia vitalmente necessária para muitos físicos de ponta, químico, e estudos biológicos. A última pesquisa conduzida pela City University of Hong Kong (CityU) e Xi'an Jiaotong University desenvolveu com sucesso uma nova técnica fotográfica ultrarrápida comprimida, permitindo uma taxa de quadros ultra-alta e um grande número de quadros. Tendo superado as limitações existentes, a nova técnica oferece uma ferramenta importante para a observação de processos transitórios complexos no femtossegundo (10 ^-15 segundo) escala de tempo.

A fotografia ultrarrápida é uma importante técnica de condução que amplia a compreensão dos cientistas sobre uma variedade de processos físicos ou químicos transitórios. Construído na técnica da sonda de bomba inicializada na década de 1980, vencedor do Prêmio Nobel de Química e o cientista egípcio Ahmed H. Zewail foi o pioneiro da femtoquímica, o que permitiu os estudos de processos ultrarrápidos até um femtossegundo (10 ^-15 s) escala de tempo. Ainda, o método pump-probe captura apenas um segmento de um processo ultrarrápido por vez, e só pode ser aplicado para medir processos ultrarrápidos estáveis ​​e repetíveis. Outros avanços foram feitos nos últimos anos. Métodos, como imagem amplificada codificada por tempo ou frequência, e a câmera de faixa compactada permite a geração de imagens em femtossegundos com uma única exposição. Ainda, as técnicas de disparo único existentes registram apenas números de quadros muito limitados na taxa de quadros mais rápida de femtossegundos, ou exigem o uso de câmeras de streak muito caras, limitando assim o seu campo de aplicação.

Recentemente, Dr. Wang Lidai, O professor assistente do Departamento de Engenharia Biomédica da CityU e o professor Chen Feng da Xi'an Jiaotong University propuseram em conjunto a nova fotografia espectral-temporal (CUST) compactada ultrarrápida, que pode superar as limitações existentes na velocidade de imagem, número de quadros e resolução espectral. Por meio de computação óptica inovadora, um pulso de laser de femtossegundo pode ser codificado digitalmente. A informação temporal ou espectral é então comprimida e reconstruída. Esta nova técnica de imagem pode atingir simultaneamente alta taxa de quadros, alto número de quadros e alta resolução espectral.

CUST pode atingir uma taxa de quadros ultra-alta de 3,85 trilhões de Hz (1 trilhão de Hz =10 ¹² Hz), sendo capaz de capturar mais de 60 quadros de imagens ultrarrápidas com resolução espectral sub-nanométrica ultralta em um único tiro. Com CUST, a equipe de pesquisa registrou em tempo real a propagação, reflexão e autofocalização de pulsos de laser de femtossegundo, que são processos ultrarrápidos com uma duração de 20 picossegundos (1 picossegundo =10 ^-12 s). Os resultados da pesquisa foram publicados na última edição da Cartas de revisão física .

Outra vantagem do CUST é que ele não requer câmeras caras de streak. Tal sistema de imagem ultrarrápido pode ser construído com dispositivos ópticos comuns, incluindo um espelho, ralar, laser de femtossegundo, e sensor CCD, tornando-o mais barato e fácil de ser amplamente empregado.

Como o Dr. Wang explicou, CUST é baseado no princípio de acoplamento espectral-temporal de pulsos de laser de femtossegundos. Algoritmos de imagem computacional também são usados. A fotografia CUST consiste em três etapas. Primeiro, um pulso de laser é enviado através de um sistema de grades de difração e lentes para permitir que diferentes comprimentos de onda do pulso de laser sejam alongados no domínio temporal por dispersão, formando um "pulso trinado" de maior duração. Segundo, o pulso chirped interage com o processo ultrarrápido e diferentes componentes dos comprimentos de onda podem registrar diferentes informações temporais do processo ultrarrápido. Terceiro, CUST realiza codificação espacial bidimensional (2-D) no feixe de luz, e usa dispersão para comprimir diferentes informações espectrais em um plano CCD 2-D. Por último, múltiplas imagens ultrarrápidas com dimensões espaciais e temporais são reconstruídas a partir da imagem CDD 2-D usando um algoritmo de detecção comprimido.

Dr. Wang acredita que esta pesquisa tornou possível adquirir imagens de femtossegundos por um longo período de tempo com um amplo espectro, e facilitará a pesquisa de processos ultrarrápidos em física, química e biologia, como registrar a propagação transitória de fótons e fônons em microestruturas de materiais avançados, e a propagação de sinais elétricos em neurônios, entre outros. O baixo custo também permite que mais instituições de pesquisa usem essa tecnologia.