L'acquisizione di immagini di processi ultraveloci è una tecnologia di vitale importanza per molti dispositivi fisici all'avanguardia, chimico, e studi biologici. L'ultima ricerca condotta dalla City University di Hong Kong (CityU) e dalla Xi'an Jiaotong University ha sviluppato con successo una nuova tecnica fotografica ultraveloce compressa, consentendo sia un frame rate ultra elevato che un numero di frame elevato. Superati i limiti esistenti, la nuova tecnica offre uno strumento importante per osservare processi transitori complessi al femtosecondo (10 ^-15 secondo) tempi.

La fotografia ultraveloce è un'importante tecnica di guida che estende la comprensione degli scienziati di una varietà di processi fisici o chimici transitori. Basato sulla tecnica pump-probe iniziata negli anni '80, vincitore del Premio Nobel per la Chimica e scienziato egiziano Ahmed H. Zewail è stato il pioniere della femtochimica, che ha permesso di studiare processi ultraveloci al femtosecondo (10 ^-15 s) tempistica. Ancora, il metodo pump-probe cattura solo un segmento di un processo ultraveloce alla volta, e può essere applicato solo per misurare processi ultraveloci stabili e ripetibili. Negli ultimi anni sono stati fatti ulteriori progressi. Metodi come l'imaging amplificato codificato in tempo o in frequenza, e la fotocamera a strisce compresse consentono l'imaging a femtosecondi con una singola esposizione. Ancora, le tecniche single-shot esistenti registrano solo numeri di fotogrammi molto limitati alla frequenza di fotogrammi più veloce di femtosecondi, o richiedere l'utilizzo di streak camera molto costose, limitando così il loro campo di applicazione.

Recentemente, Dott. Wang Lidai, L'assistente professore del dipartimento di ingegneria biomedica presso CityU e il professor Chen Feng dell'Università di Xi'an Jiaotong hanno proposto congiuntamente la nuova fotografia spettrale-temporale ultraveloce compressa (CUST), che può superare le limitazioni esistenti nella velocità di imaging, numero di frame e risoluzione spettrale. Attraverso l'innovativo calcolo ottico, un impulso laser a femtosecondi può essere codificato digitalmente. L'informazione temporale o spettrale viene quindi compressa e ricostruita. Questa nuova tecnica di imaging può raggiungere contemporaneamente un frame rate elevato, alto numero di frame e alta risoluzione spettrale.

CUST può raggiungere un frame rate ultra elevato di 3,85 trilioni di Hz (1 trilione di Hz =10 ¹² Hz), essere in grado di catturare oltre 60 fotogrammi di immagini ultraveloci con una risoluzione spettrale sub-nanometrica ultraelevata in un singolo scatto. Con CUST, il team di ricerca ha registrato in tempo reale la propagazione, riflessione e autofocalizzazione di impulsi laser a femtosecondi, che sono processi ultraveloci con una durata di 20 picosecondi (1 picosecondo =10 ^-12 S). I risultati della ricerca sono pubblicati nell'ultimo numero di Lettere di revisione fisica .

Un altro vantaggio di CUST è che non richiede costose fotocamere a strisce. Un tale sistema di imaging ultraveloce può essere costruito con normali dispositivi ottici tra cui uno specchio, grata, laser a femtosecondi, e sensore CCD, rendendo più economico e più facile essere ampiamente impiegati.

Come ha spiegato il dottor Wang, CUST si basa sul principio dell'accoppiamento spettrale-temporale degli impulsi laser a femtosecondi. Vengono utilizzati anche algoritmi di imaging computazionale. La fotografia CUST si compone di tre passaggi. Primo, un impulso laser viene inviato attraverso un sistema di reticoli di diffrazione e lenti per consentire di allungare diverse lunghezze d'onda dell'impulso laser nel dominio temporale mediante dispersione, formando un "impulso cinguettio" di maggiore durata. Secondo, l'impulso cinguettato interagisce con il processo ultraveloce e diversi componenti delle lunghezze d'onda possono registrare diverse informazioni temporali del processo ultraveloce. Terzo, CUST esegue la codifica spaziale bidimensionale (2-D) sul raggio di luce, e utilizza la dispersione per comprimere diverse informazioni spettrali su un piano CCD 2-D. Infine, più immagini ultraveloci con dimensioni spaziali e temporali vengono ricostruite dall'immagine CDD 2-D utilizzando un algoritmo di rilevamento compresso.

Il Dr. Wang ritiene che questa ricerca abbia permesso di acquisire immagini di femtosecondi per un lungo periodo di tempo con un ampio spettro, e faciliterà la ricerca di processi ultraveloci in fisica, chimica e biologia, come registrare la propagazione transitoria di fotoni e fononi in microstrutture di materiali avanzati, e la propagazione dei segnali elettrici nei neuroni, tra gli altri. Il basso costo consente anche a più istituti di ricerca di utilizzare questa tecnologia.