Los investigadores han desarrollado un nuevo y poderoso método de obtención de imágenes que revela más detalles que nunca sobre los fenómenos ultrarrápidos en el mundo microscópico. Estos procesos se desarrollan en escalas de tiempo increíblemente cortas, a menudo en cientos de femtosegundos, y tradicionalmente han sido difíciles de estudiar. El nuevo método permite a los científicos observar y analizar estos rápidos cambios con una claridad y velocidad excepcionales.
“En los campos de la física, la química, la biología y la ciencia de los materiales, muchos acontecimientos importantes ocurren increíblemente rápido”, dijo Yunhua Yao, líder del equipo de investigación de la Universidad Normal del Este de China. “Nuestra nueva técnica puede capturar toda la evolución tanto de la luminosidad como de la estructura interna de un objeto en una sola medición. Este es un gran paso adelante para comprender la naturaleza fundamental de la materia, diseñar nuevos materiales e incluso desentrañar los misterios de los procesos biológicos”.
El equipo describió su método. ópticoRevista del Grupo Editorial Optica para investigaciones de alto impacto. La técnica se conoce como imágenes de femtosegundos con modulación coherente espectral-temporal comprimida (CST-CMFI). Utilizando este sistema, los investigadores pudieron rastrear la actividad ultrarrápida, como la formación de plasma en el agua y el comportamiento de los portadores de carga excitados en ZnSe después de un pulso láser de femtosegundo.
“Más allá de ayudar a los científicos a estudiar materiales que cambian instantáneamente en respuesta a la luz láser, reacciones químicas que reorganizan los átomos a la velocidad del rayo y el comportamiento dinámico de las biomoléculas en escalas de tiempo increíblemente cortas, CST-CMFI puede ayudar a avanzar en las tecnologías láser en la investigación de energía limpia, la fabricación avanzada y la instrumentación”. “Esto podría conducir al desarrollo de electrónica más eficiente, células solares mejoradas y dispositivos más rápidos que permitan una mejor comprensión de cómo se comportan los materiales en escalas de tiempo extremadamente rápidas”.
Capturando más que brillo en imágenes ultrarrápidas
Este trabajo es parte de un esfuerzo continuo para avanzar en la tecnología de cámaras ultrarrápidas en el Laboratorio de Imágenes Ópticas Extremas de la Universidad Normal del Este de China. Un enfoque clave son las imágenes ópticas ultrarrápidas de un solo disparo, que capturan eventos que no se pueden repetir grabándolo todo en una sola exposición, similar a tomar un solo fotograma que contiene una secuencia completa.
En el pasado, estas técnicas registraban principalmente cambios en el brillo, también conocido como intensidad de la luz. Sin embargo, la luz también transporta información de fase, que revela cómo se dobla o cambia de velocidad a medida que atraviesa la materia. Los investigadores se propusieron capturar tanto la intensidad como la fase al mismo tiempo, proporcionando una imagen más completa de los procesos ultrarrápidos.
Para lograrlo, combinaron mapeo de espectro temporal, imágenes espectrales compresivas e imágenes de modulación coherente. Cada método ofrece una ventaja específica, incluida la capacidad de seguir los cambios muy rápidamente, recopilar más datos en una sola medición y preservar detalles más finos de la imagen.
Cómo funciona la técnica CST-CMFI
El sistema utiliza un pulso láser chip compuesto de múltiples longitudes de onda que llegan en momentos ligeramente diferentes. Esta configuración vincula efectivamente el tiempo con la longitud de onda. Cuando los pulsos interactúan con fenómenos que cambian rápidamente, la luz dispersada transporta información espacial, espectral y de fase detallada. Luego, esta información se comprime en una sola imagen mediante imágenes de modulación coherente codificadas por dispersión.
Una red neuronal basada en la física procesa estos datos separando las longitudes de onda y reconstruyendo tanto la intensidad como la fase a lo largo del tiempo. Dado que cada longitud de onda representa un momento específico, el resultado es una secuencia de fotogramas que crean una película súper rápida capturada en una sola toma.
Vista en tiempo real del comportamiento del plasma y los electrones.
Para probar la técnica, los investigadores probaron dos tipos de fenómenos ultrarrápidos. Un experimento se centró en plasma creado en agua mediante un láser de femtosegundo. Comprender cómo se forma y evoluciona este plasma podría respaldar aplicaciones como los procedimientos médicos basados en láser. Los resultados de las imágenes revelaron cambios de brillo y fase dentro del canal de plasma, creando un plasma denso de electrones libres que afecta la forma en que se absorbe la luz y cómo viaja a través del agua.
El equipo estudió la dinámica de los portadores en ZnSe para comprender mejor cómo se mueven las cargas eléctricas después de ser excitadas por la luz. Estos conocimientos son importantes para mejorar los dispositivos ópticos y electrónicos fabricados con este material, lo que podría conducir a tecnologías más rápidas y eficientes.
“Utilizando CST-CMFI, pudimos ver variaciones de fase asociadas con la dinámica de la portadora, incluso cuando no hubo cambios significativos en la intensidad”, dijo Yao. “Esto pone de relieve una ventaja clave de nuestro método: las mediciones de fase pueden ser mucho más sensibles que las mediciones de intensidad a la hora de detectar procesos ultrarrápidos sutiles”.
Ampliación de aplicaciones y futuras mejoras
De cara al futuro, los investigadores planean aplicar el método para estudiar fenómenos adicionales, incluida la dinámica de la interfaz y las transiciones de fase ultrarrápidas. En estas zonas es necesario detectar cambios extremadamente pequeños en los niveles de luz, lo que hace que la nueva técnica sea especialmente valiosa.
Actualmente, CST-CMFI convierte información espectral en información temporal, lo que limita la capacidad de estudiar procesos altamente sensibles a cambios espectrales. Para solucionar este problema, el equipo pretende combinar CST-CMFI con fotografía ultrarrápida de compresión. Este próximo paso permitirá capturar información espectral y temporal por separado, ampliando significativamente la gama de aplicaciones y mejorando la versatilidad general de la tecnología.
