Das Streben nach einer höheren Geschwindigkeit ist nicht nur etwas für Sportler. Auch Forscher können mit ihren Entdeckungen solche Leistungen vollbringen. Dies ist der Fall bei Jinyang Liang, Professor am Institut national de la recherche scientifique (INRS), und seinem Team, dessen Forschungsergebnisse wurden kürzlich veröffentlicht in Naturkommunikation.
Die am Forschungszentrum Énergie Matériaux Télécommunications des INRS ansässige Gruppe hat ein neues ultraschnelles Kamerasystem entwickelt, das bis zu 156,3 Billionen Bilder pro Sekunde mit erstaunlicher Präzision erfassen kann. Erstmals ist eine zweidimensionale optische Abbildung der ultraschnellen Entmagnetisierung in einer einzigen Aufnahme möglich.
Dieses neue Gerät namens SCARF (für Echtzeit-Femtofotografie mit Swept-Coded-Apertur) kann die transiente Absorption in einem Halbleiter und die ultraschnelle Entmagnetisierung einer Metalllegierung erfassen. Diese neue Methode wird dazu beitragen, die Grenzen des Wissens in einem breiten Spektrum von Bereichen voranzutreiben, darunter moderne Physik, Biologie, Chemie, Materialwissenschaften und Ingenieurwesen.
Verbesserung früherer Fortschritte
Professor Liang gilt weltweit als Pionier der ultraschnellen Bildgebung. Im Jahr 2018 war er der Hauptentwickler eines großen Durchbruchs auf diesem Gebiet, der den Grundstein für die Entwicklung von SCARF legte.
Bisher nutzen ultraschnelle Kamerasysteme hauptsächlich einen Ansatz, bei dem Einzelbilder nacheinander aufgenommen werden. Sie sammelten Daten durch kurze, wiederholte Messungen und fügten dann alles zusammen, um einen Film zu erstellen, der die beobachtete Bewegung rekonstruierte.
„Allerdings lässt sich dieser Ansatz nur auf inerte Proben oder auf Phänomene anwenden, die jedes Mal auf die exakt gleiche Weise ablaufen. Fragile Proben, ganz zu schweigen von nicht wiederholbaren Phänomenen oder Phänomenen mit ultraschnellen Geschwindigkeiten, können mit dieser Methode nicht beobachtet werden.“
„Phänomene wie Femtosekundenlaserablation, Stoßwelleninteraktion mit lebenden Zellen und optisches Chaos können beispielsweise auf diese Weise nicht untersucht werden“, erklärt Liang.
Das erste von Professor Liang entwickelte Tool trug dazu bei, diese Lücke zu schließen. Das T-CUP-System (Trillion-Frame-per-Second Compressed Ultrafast Photography) basierte auf einer passiven Femtosekunden-Bildgebung, die zehn Billionen (1013) Bilder pro Sekunde erfassen konnte. Dies war ein wichtiger erster Schritt in Richtung ultraschneller Einzelbild-Echtzeitbildgebung.
Dennoch blieben Herausforderungen bestehen.
„Viele Systeme, die auf komprimierter ultraschneller Fotografie basieren, müssen mit einer verschlechterten Datenqualität zurechtkommen und müssen die Sequenztiefe des Sichtfelds kompensieren. Diese Einschränkungen sind auf das Funktionsprinzip zurückzuführen, das eine gleichzeitige Scherung der Szene und der codierten Blende erfordert“, sagt Liang geht weiter.
SCARF meistert diese Herausforderungen. Seine Bildgebungsmodalität ermöglicht ein ultraschnelles Abtasten einer statisch codierten Apertur, ohne das ultraschnelle Phänomen zu beeinträchtigen. Dies ermöglicht Vollsequenz-Kodierungsraten von bis zu 156,3 THz für einzelne Pixel einer Kamera mit einem ladungsgekoppelten Gerät (CCD). Diese Ergebnisse können in einer einzigen Aufnahme mit einstellbaren Bildraten und räumlichen Maßstäben sowohl im Reflexions- als auch im Transmissionsmodus erzielt werden.
Eine Reihe von Anwendungen
SCARF ermöglicht die Beobachtung einzigartiger Phänomene, die ultraschnell, nicht wiederholbar oder schwer zu reproduzieren sind, wie beispielsweise die Stoßwellenmechanik in lebenden Zellen oder Materie. Diese Fortschritte könnten möglicherweise zur Entwicklung besserer Arzneimittel und medizinischer Behandlungen genutzt werden.
Darüber hinaus verspricht SCARF sehr attraktive wirtschaftliche Spin-offs. Zwei Unternehmen, Axis Photonique und Few-Cycle, arbeiten bereits mit Professor Liangs Team zusammen, um eine marktfähige Version ihrer zum Patent angemeldeten Entdeckung zu produzieren. Dies stellt für Quebec eine großartige Gelegenheit dar, seine bereits beneidenswerte Position als führendes Unternehmen im Bereich Photonik zu stärken.
Die Arbeit wurde im Advanced Laser Light Source (ALLS) Laboratory in Zusammenarbeit mit Professor François Légaré, Direktor des Forschungszentrums Énergie Matériaux Télécommunications, und den internationalen Kollegen Michel Hehn, Stéphane Mangin und Grégory Malinowski vom Institut Jean Lamour an der Université durchgeführt de Lorraine (Frankreich) und Zhengyan Li von der Huazhong University of Science and Technology (China).
Mehr Informationen:
Jingdan Liu et al., Swept Coded Aperture Real-Time Femtophotography, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-45820-z