Istantanea di immagini a cinque dimensioni con risoluzioni spazio-temporali-spettrali. Credito:S. Zhang, Università Normale della Cina Orientale.
L'imaging ottico ricco di informazioni può fornire informazioni multidimensionali per consentire l'osservazione e l'analisi di un bersaglio rilevato, contribuendo intuizioni in mondi misteriosi e sconosciuti. Con la sua capacità di catturare scene dinamiche su scale temporali di picosecondi e persino femtosecondi, l'imaging ottico multidimensionale ultraveloce ha importanti applicazioni nella rilevazione dei fenomeni ultraveloci in fisica, chimica, e biologia.
Mentre l'imaging ultraveloce basato su pump-probe può acquisire informazioni multidimensionali ad alta risoluzione, non può catturare adeguatamente scene transitorie instabili o irreversibili. Fortunatamente, fotografia ultraveloce compressa (CUP), basato sul rilevamento compresso e sull'imaging di striature, supera il tradizionale imaging ultraveloce basato su pump-probe. CUP ha attirato ampia attenzione grazie alla sua elevata risoluzione temporale, elevata velocità di trasmissione dei dati, e acquisizione a colpo singolo. È stato applicato con successo negli studi di vari fenomeni ultraveloci, come catturare fotoni ultraveloci, osservando il cono di Mach ottico, e rilevamento della dinamica caotica ottica.
Per molti fenomeni ultraveloci, la distribuzione volumetrica spaziale e la composizione spettrale della scena dinamica sono fondamentali per osservare i processi dinamici ed esplorare potenziali meccanismi. Sebbene l'imaging ottico ultraveloce si sia sviluppato rapidamente e negli ultimi anni sia stata proposta una varietà di metodi con risoluzione spaziale o spettrale, finora nessuna tecnica di imaging ultraveloce è stata in grado di acquisire spazio-temporali-spettrali (x, si, z, T, e λ) informazioni a cinque dimensioni (5D) contemporaneamente a un'istantanea.
Imaging schematico e 5D di SV-CUP. (a) Sistema sperimentale. (b) Schema del principio di funzionamento. (c) Cubo di dati ricostruito del manichino 3D. (d) Immagini ricostruite selezionate del manichino 3D in alcuni tempi e lunghezze d'onda rappresentativi. (e) Spettroscopia risolta nel tempo estratta dai dati di ricostruzione. Credito:Ding et al.
Come riportato in Fotonica avanzata , un team internazionale guidato da Shian Zhang presso lo State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, Università Normale della Cina Orientale, recentemente sviluppato e dimostrato sperimentalmente un sistema CUP spettrale-volumetrico (SV) in grado di acquisire simultaneamente informazioni 5D con una singola misurazione istantanea. L'innovativo SV-CUP combina CUP a tempo di volo (ToF-CUP) e CUP iperspettrale (HCUP):il ToF-CUP estrae le informazioni spaziali 3D e l'HCUP registra le informazioni 4D spazio-temporali-spettrali. L'intero complemento delle informazioni 5D viene infine recuperato accoppiando ToF-CUP e HCUP in base alla loro relazione con data e ora.
Con risoluzioni spaziali di 0,39, 0,35, e 3 mm in x, si, e z direzioni, il sistema può risolvere in modo affidabile una varietà di oggetti 3D, come dimostrato sperimentalmente con riferimento a un manichino 3D rivestito di punti quantici. Il campo visivo è di 8,8 mm x 6,3 mm x 15 mm, che può essere comodamente regolato sostituendo la lente del tubo in base alla scena. Un intervallo di frame temporale di 2 ps e un intervallo di frame spettrale di 1,72 nm contribuiscono a prestazioni impressionanti che si traducono in immagini 5D con risoluzione iperspettrale e volumetrica.
Combinazione di immagini computazionali, rilevamento compresso, ed elaborazione delle immagini, SV-CUP fornisce un nuovo schema per una migliore dimensionalità nell'imaging ottico ultraveloce. Secondo Zhang, "SV-CUP promette nuove intuizioni per la ricerca sui fenomeni ultraveloci in fisica e biochimica".
