Câmeras de alta velocidade podem tirar fotos em rápida sucessão. Isso os torna úteis para visualizar fenômenos dinâmicos ultrarrápidos, como ablação a laser de femtossegundo para processos precisos de usinagem e fabricação, ignição rápida para sistemas de energia de fusão nuclear, interações de ondas de choque em células vivas, e certas reações químicas.

Entre os vários parâmetros da fotografia, a imagem sequencial de processos dinâmicos ultrarrápidos microscópicos requer altas taxas de quadros e altas resoluções espaciais e temporais. Nos sistemas de imagem atuais, essas características estão em uma troca entre si.

Contudo, cientistas da Universidade de Shenzhen, China, desenvolveram recentemente um sistema de imagem ultrarrápido totalmente óptico com altas resoluções espaciais e temporais, bem como uma alta taxa de quadros. Como o método é totalmente óptico, está livre dos gargalos que surgem da digitalização com componentes mecânicos e eletrônicos.

Seu design se concentra em amplificadores paramétricos ópticos não colineares (OPAs). Um OPA é um cristal que, quando irradiado simultaneamente com um feixe de luz de sinal desejado e um feixe de luz de bomba de alta frequência, amplifica o feixe de sinal e produz outro feixe de luz conhecido como ocioso. Como o cristal usado neste estudo é não colinear, o rolete é disparado em uma direção diferente daquela do feixe de sinal. Mas como esse dispositivo é útil em um sistema de imagem de alta velocidade?

A resposta está em OPAs em cascata. A informação do alvo, contido no feixe de sinal, é mapeado no feixe intermediário pela OPA enquanto o feixe da bomba está ativo. Como o rolete se move em uma direção diferente, ele pode ser capturado usando uma câmera convencional de dispositivo de carga acoplada (CCD) "definida para o lado" enquanto o feixe de sinal se move em direção ao próximo estágio na cascata OPA.

Assim como a água desceria em uma cachoeira, o feixe de sinal atinge o OPA subsequente, e o feixe de bomba gerado a partir da mesma fonte de laser o ativa; exceto agora, uma linha de atraso faz com que o feixe da bomba chegue mais tarde, fazendo com que a câmera CCD próxima ao OPA no segundo estágio tire uma foto mais tarde. Por meio de uma cascata de quatro OPAs com quatro câmeras CCD associadas e quatro linhas de atraso diferentes para a bomba de laser, os cientistas criaram um sistema que pode tirar quatro fotos em sucessão extremamente rápida.

A velocidade de captura de imagens consecutivas é limitada pela pequena diferença entre duas linhas de atraso do laser. A respeito disso, esse sistema atingiu uma taxa de quadros efetiva de 15 trilhões de quadros por segundo - uma velocidade recorde do obturador para câmeras de alta resolução espacial. Por outro lado, a resolução temporal depende da duração dos pulsos de laser que acionam os OPAs e geram os sinais do idler. Nesse caso, a largura do pulso foi de 50 fs (cinquenta milionésimos de nanossegundo). Juntamente com a taxa de quadros incrivelmente rápida, este método é capaz de observar fenômenos físicos ultrarrápidos, como uma grade de plasma de ar e um campo óptico giratório girando a 10 trilhões de radianos por segundo.

De acordo com Anatoly Zayats, Co-Editor-Chefe da Fotônica Avançada , "A equipe da Universidade de Shenzhen demonstrou imagens fotográficas ultrarrápidas com a velocidade recorde do obturador. Essa pesquisa abre novas oportunidades para estudos de processos ultrarrápidos em vários campos."

Este método de imagem tem espaço para melhorias, mas pode facilmente se tornar uma nova técnica de microscopia. Pesquisas futuras irão desbloquear o potencial dessa abordagem para nos dar uma imagem mais clara dos fenômenos transitórios ultrarrápidos.