Forskare vid Extreme Optical Imaging Laboratory vid East China Normal University har nått ett betydande genombrott inom optisk avbildning. Under ledning av Yunhua Yao har teamet utvecklat en metod som kan fånga ultrasnabba händelser som utspelar sig på bara en biljontedels sekund – mer specifikt inom loppet av några hundra femtosekunder – i en enda bildtagning.
Den nya tekniken har fått namnet compressed spectral-temporal coherent modulation femtosecond imaging (CST-CMFI). Till skillnad från tidigare metoder för ultrasnabb avbildning, som främst registrerat förändringar i ljusstyrka (intensitet), kan CST-CMFI fånga både intensitet och fasinformation samtidigt.
Varför fasinformation är avgörande
Fasinformation är en kritisk komponent eftersom den avslöjar hur ljus bryts eller ändrar hastighet när det passerar genom olika material. Detta ger en betydligt mer komplett bild av mikroskopiska processer än vad som tidigare varit möjligt.
Systemet fungerar genom att använda en så kallad "chirpad" laserpuls. I en sådan puls anländer olika våglängder vid något olika tidpunkter, vilket skapar en länk mellan tid och våglängd. När pulsen interagerar med ett dynamiskt förlopp bär det spridda ljuset med sig rumslig information, spektraldata och fasdata. All denna information komprimeras till en enda bild med hjälp av en metod som kallas dispersion-encoded coherent modulation imaging.
Artificiell intelligens återskapar filmen
För att förvandla den komprimerade datan till en rörlig sekvens används ett fysikinformerat neuralt nätverk. AI-modellen bearbetar informationen och rekonstruerar en sekvens av bildrutor, vilket i praktiken skapar en ultrasnabb film av händelseförloppet.
Under testerna har forskarna framgångsrikt kunnat studera flera komplexa fenomen:
- Plasmakanaler i vatten: De kunde spåra bildandet av tät frielektronplasma efter en femtosekund-laserpuls.
- Laddningsdynamik i ZnSe: Metoden lyckades detektera fasvariationer i materialet zinkselenid (ZnSe) även i situationer där inga betydande förändringar i ljusstyrka kunde ses.
Framtida användningsområden
Tekniken har potential att revolutionera förståelsen inom flera vetenskapliga och tekniska fält. Några av de potentiella tillämpningarna inkluderar:
- Djupare förståelse för biologiska processer och kemiska reaktioner.
- Utveckling av mer effektiva solceller och elektronik.
- Förbättringar av högpresterande laserteknik.
- Avancerade laserbaserade medicinska ingrepp.
Framöver planerar forskarlaget att använda CST-CMFI för att studera dynamik i gränssnitt och ultrasnabba fasövergångar. De siktar även på att kombinera tekniken med komprimerad ultrasnabb fotografering för att kunna fånga spektral och temporal information separat.
