Новый подход, использующий сжатую спектрально-временную когерентную модуляцию, делает возможным фиксирование фемтосекундных процессов за один кадр. Рассмотрим, как функционирует технология и какие эксперименты с плазмой и кристаллами провели исследователи для её верификации.
Международная группа исследователей под руководством Юньхуа Яо из Восточно-китайского педагогического университета представила инновационный метод визуализации, позволяющий с беспрецедентной точностью фиксировать сверхбыстрые события в микромире. Эта разработка, описанная в журнале Optica, открывает новые возможности для физики, химии, биологии и материаловедения.
Множество фундаментальных процессов — от химических реакций до движения электронов — происходит за фемтосекунды. Ранее существующие методы позволяли регистрировать лишь изменения интенсивности света, упуская важную фазовую информацию, которая описывает, как свет преломляется и изменяет скорость при прохождении через вещество. Новый подход, названный сжатой спектрально-временной когерентной модуляцией фемтосекундной визуализации (CST-CMFI), позволяет одновременно фиксировать и интенсивность, и фазу света. Это дает возможность получить полную картину эволюции объекта в сверхбыстром масштабе времени.
Система использует сложный частотно-модулированный лазерный импульс, в котором различные длины волн приходят в разное время. Это позволяет «закодировать» время в спектре света. Когда такой импульс взаимодействует с исследуемым процессом, рассеянный свет содержит информацию о пространственной структуре, спектре и фазе. Затем с помощью когерентной модуляции и дисперсионного кодирования все эти данные сжимаются в одно изображение. На последнем этапе нейронная сеть, работающая на основе физических принципов, обрабатывает полученную информацию, разделяя длины волн и восстанавливая полную последовательность кадров. Фактически, ученые получают сверхбыстрый «видеоролик», записанный всего за один «снимок».
Для проверки возможностей нового метода команда провела два эксперимента. В первом случае исследователи изучали формирование плазмы в воде под воздействием фемтосекундного лазерного импульса. С помощью CST-CMFI им удалось детально проследить весь процесс образования и развития плазменного канала. Визуализация зафиксировала не только изменения яркости, но и тонкие фазовые сдвиги, связанные с формированием плотной плазмы свободных электронов. Эти данные имеют особую ценность для развития лазерной медицины.
Во втором эксперименте специалисты исследовали динамику носителей заряда в кристалле селенида цинка (ZnSe). Метод CST-CMFI позволил отслеживать, как электрические заряды перемещаются в материале после его возбуждения светом. Ключевым преимуществом стало то, что технология зафиксировала фазовые вариации даже в тех случаях, когда изменения интенсивности света были минимальны.
В будущем исследователи планируют объединить CST-CMFI с компрессионной сверхбыстрой фотографией. Это позволит отдельно получать спектральную и временную информацию, что значительно расширит диапазон применения технологии. Ожидается, что новый метод ускорит разработку более эффективной электроники, солнечных элементов и поможет в изучении фундаментальных тайн материи.
Фото: hi-tech.mail.ru