Le fotocamere ad alta velocità possono scattare foto in rapida successione. Questo li rende utili per visualizzare fenomeni dinamici ultraveloci, come l'ablazione laser a femtosecondi per lavorazioni e processi di produzione precisi, accensione rapida per sistemi energetici a fusione nucleare, interazioni onde d'urto nelle cellule viventi, e alcune reazioni chimiche.

Tra i vari parametri in fotografia, l'imaging sequenziale di processi dinamici ultraveloci microscopici richiede frame rate elevati e risoluzioni spaziali e temporali elevate. Negli attuali sistemi di imaging, queste caratteristiche sono in compromesso l'una con l'altra.

Però, scienziati dell'Università di Shenzhen, Cina, hanno recentemente sviluppato un sistema di imaging ultraveloce completamente ottico con elevate risoluzioni spaziali e temporali, così come un frame rate elevato. Poiché il metodo è completamente ottico, è esente dai colli di bottiglia che derivano dalla scansione con componenti meccanici ed elettronici.

Il loro progetto si concentra su amplificatori parametrici ottici non collineari (OPA). Un OPA è un cristallo che, quando irradiato contemporaneamente con un raggio di luce di segnale desiderato e un raggio di luce della pompa a frequenza più elevata, amplifica il raggio del segnale e produce un altro raggio di luce noto come folle. Poiché il cristallo utilizzato in questo studio è non collineare, l'idler viene sparato in una direzione diversa da quella del raggio di segnale. Ma in che modo un dispositivo del genere è utile in un sistema di imaging ad alta velocità?

La risposta sta nelle OPA a cascata. Le informazioni del bersaglio, contenuto nel raggio di segnalazione, viene mappato sul raggio di rinvio dall'OPA mentre il raggio della pompa è attivo. Perché l'ozioso si muove in una direzione diversa, può essere catturato utilizzando una telecamera convenzionale con dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) "impostata di lato" mentre il raggio del segnale si sposta verso la fase successiva della cascata OPA.

Proprio come l'acqua scenderebbe in una cascata, il fascio di segnalazione raggiunge l'OPA successivo, e il raggio di pompa generato dalla stessa sorgente laser lo attiva; tranne ora, una linea di ritardo fa arrivare più tardi il raggio della pompa, facendo in modo che la telecamera CCD accanto all'OPA nella seconda fase scatti una foto in un secondo momento. Attraverso una cascata di quattro OPA con quattro camere CCD associate e quattro diverse linee di ritardo per il laser della pompa, gli scienziati hanno creato un sistema in grado di scattare quattro foto in rapida successione.

La velocità di acquisizione di immagini consecutive è limitata da quanto piccola può essere la differenza tra due linee di ritardo laser. A questo proposito, questo sistema ha raggiunto un frame rate effettivo di 15 trilioni di fotogrammi al secondo, una velocità dell'otturatore record per le fotocamere ad alta risoluzione spaziale. Al contrario, la risoluzione temporale dipende dalla durata degli impulsi laser che attivano gli OPA e generano i segnali di idler. In questo caso, la larghezza dell'impulso era di 50 fs (cinquanta milionesimi di nanosecondo). Insieme al frame rate incredibilmente veloce, questo metodo è in grado di osservare fenomeni fisici ultraveloci, come un reticolo al plasma ad aria e un campo ottico rotante che ruota a 10 trilioni di radianti al secondo.

Secondo Anatoly Zayats, Co-redattore capo di Fotonica avanzata , "Il team dell'Università di Shenzhen ha dimostrato l'imaging fotografico ultraveloce con la velocità dell'otturatore più elevata da record. Questa ricerca apre nuove opportunità per gli studi sui processi ultraveloci in vari campi".

Questo metodo di imaging ha margini di miglioramento ma potrebbe facilmente diventare una nuova tecnica di microscopia. La ricerca futura sbloccherà il potenziale di questo approccio per darci un quadro più chiaro dei fenomeni transitori ultraveloci.