Такие явления происходят за сотни фемтосекунд — времени, необходимого свету для преодоления расстояния, меньшего толщины человеческого волоса.
Ультрабыстрые процессы в микромире — формирование плазмы, начальные этапы химической реакции или «пробуждение» электронов в кристалле — происходят за сотни фемтосекунд (10⁻¹⁵ секунды). Зафиксировать такое событие на камеру крайне сложно: повторить процесс в точности невозможно, а традиционные ультрабыстрые съемочные методы зачастую показывают лишь изменение яркости объекта, упуская важные детали.
Группа специалистов Восточно-Китайского педагогического университета под руководством Юньхуа Яо разработала инновационную методику, позволяющую за один «щелчок» камеры увидеть не только, насколько объект стал светлее или темнее, но и как изменилась его внутренняя оптическая структура.
Новый метод, названный CST‑CMFI — сжатая спектрально-временная когерентная модуляционная фемтосекундная визуализация. Он одновременно фиксирует как интенсивность света, так и его фазу. Фаза демонстрирует, как свет замедляется, преломляется и «закручивается» при прохождении через материал. Это делает метод особенно чувствительным к тонким изменениям структуры, которые практически не влияют на яркость объекта.
Система функционирует на основе лазерного импульса, состоящего из разных длин волн, которые поступают в немного различающиеся моменты времени. Когда импульс взаимодействует с быстро меняющимся процессом, рассеянный свет несет в себе детальную пространственную, спектральную и фазовую информацию. Эта информация объединяется в одно изображение, а затем нейронная сеть анализирует данные, разделяя длины волн и восстанавливая как интенсивность, так и фазу во времени. Результат — последовательность кадров, образующих ультрабыстрый «фильм», снятый за один снимок.
Для проверки метода ученые исследовали два классических ультрабыстрых процесса. В первом эксперименте фемтосекундным лазером фокусировали импульс в воде, создавая плазменный канал. CST‑CMFI позволил увидеть, как в канале изменяются не только яркость, но и фаза волны — то есть как формируется плотная плазма свободных электронов, изменяющая показатель преломления воды и поглощение света. Понимание этих процессов необходимо, например, для лазерной медицины и прецизионной обработки материалов.
Во втором эксперименте исследователи оценили динамику носителей заряда в кристалле ZnSe после оптического возбуждения — что является ключевым процессом в функционировании светодиодов, лазеров и фотоприемников. Интересно, что в ряде случаев яркость объекта почти не изменялась, в то время как фаза демонстрировала четкие вариации, связанные с движением и перераспределением электронов. Это подчеркивает главное преимущество нового метода: фазовые измерения зачастую гораздо чувствительнее к тонким ультрабыстрым процессам, чем простая съемка интенсивности свечения.