Ultrapassando os limites da imagem óptica processando trilhões de quadros por segundo

O novo dispositivo chamado SCARF (para femtofotografia em tempo real com abertura codificada por varredura) pode capturar absorção transitória em um semicondutor e desmagnetização ultrarrápida de uma liga metálica. Este novo método ajudará a avançar as fronteiras do conhecimento numa ampla gama de campos, incluindo física moderna, biologia, química, ciência dos materiais e engenharia. Crédito:INRS

Buscar uma velocidade maior não é apenas para atletas. Os pesquisadores também podem alcançar tais feitos com suas descobertas. Este é o caso de Jinyang Liang, professor do Institut national de la recherche scientifique (INRS), e da sua equipa, cujos resultados da investigação foram recentemente publicados na Nature Communications. .

O grupo baseado no Centro de Pesquisa de Telecomunicações Énergie Matériaux do INRS desenvolveu um novo sistema de câmera ultrarrápido que pode capturar até 156,3 trilhões de quadros por segundo com uma precisão surpreendente. Pela primeira vez, é possível obter imagens ópticas 2D de desmagnetização ultrarrápida em uma única imagem.

Este novo dispositivo chamado SCARF (para femtofotografia em tempo real com abertura codificada por varredura) pode capturar a absorção transitória em um semicondutor e a desmagnetização ultrarrápida de uma liga metálica. Este novo método ajudará a avançar as fronteiras do conhecimento numa ampla gama de campos, incluindo física moderna, biologia, química, ciência dos materiais e engenharia.

Melhorando os avanços anteriores

O professor Liang é conhecido em todo o mundo como um pioneiro em imagens ultrarrápidas. Em 2018, ele atuou como principal desenvolvedor de um grande avanço na área, que lançou as bases para o desenvolvimento do SCARF.

Até agora, os sistemas de câmeras ultrarrápidas usaram principalmente uma abordagem que envolvia a captura sequencial de quadros, um por um. Eles adquiririam dados por meio de medições breves e repetidas e depois juntariam tudo para criar um filme que reconstruísse o movimento observado.

"No entanto, esta abordagem só pode ser aplicada a amostras inertes ou a fenômenos que acontecem exatamente da mesma maneira todas as vezes. Amostras frágeis, para não mencionar fenômenos não repetíveis ou fenômenos com velocidades ultrarrápidas, não podem ser observadas com este método."

“Por exemplo, fenômenos como ablação por laser de femtosegundo, interação por ondas de choque com células vivas e caos óptico não podem ser estudados desta forma”, explica Liang.

A primeira ferramenta desenvolvida pelo Professor Liang ajudou a preencher esta lacuna. O sistema T-CUP (fotografia ultrarrápida comprimida de trilhões de quadros por segundo) foi baseado em imagens passivas de femtossegundos capazes de adquirir dez trilhões (10¹³ ) quadros por segundo. Este foi um primeiro passo importante em direção à geração de imagens ultrarrápidas e de disparo único em tempo real.

No entanto, os desafios ainda permaneciam.

"Muitos sistemas baseados em fotografia ultrarrápida comprimida têm que lidar com a degradação da qualidade dos dados e têm que negociar a profundidade da sequência do campo de visão. Essas limitações são atribuíveis ao princípio operacional, que requer simultaneamente o corte da cena e a abertura codificada, "Liang continuou.

O SCARF supera esses desafios. Sua modalidade de imagem permite varredura ultrarrápida de uma abertura codificada estática sem distorcer o fenômeno ultrarrápido. Isso fornece taxas de codificação de sequência completa de até 156,3 THz para pixels individuais em uma câmera com um dispositivo de carga acoplada (CCD). Esses resultados podem ser obtidos em uma única captura em taxas de quadros ajustáveis e escalas espaciais nos modos de reflexão e transmissão.

Uma variedade de aplicações

O SCARF permite observar fenômenos únicos que são ultrarrápidos, não repetíveis ou difíceis de reproduzir, como a mecânica das ondas de choque em células vivas ou matéria. Esses avanços poderiam ser potencialmente usados para desenvolver melhores tratamentos farmacêuticos e médicos.

Além do mais, o SCARF promete resultados económicos muito atraentes. Duas empresas, Axis Photonique e Few-Cycle, já estão a trabalhar com a equipa do Professor Liang para produzir uma versão comercializável da sua descoberta com patente pendente. Isto representa uma grande oportunidade para Quebec fortalecer sua já invejável posição como líder em fotônica.

O trabalho foi realizado no Laboratório Advanced Laser Light Source (ALLS) em colaboração com o Professor François Légaré, Diretor do Centro de Pesquisa Énergie Matériaux Télécommunications, e os colegas internacionais Michel Hehn, Stéphane Mangin e Grégory Malinowski do Institut Jean Lamour da Université de Lorraine (França) e Zhengyan Li da Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong (China).

Mais informações: Jingdan Liu et al, femtofotografia em tempo real com abertura codificada por varredura, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45820-z
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido por INRS

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