Der Drang nach höherer Geschwindigkeit beschränkt sich nicht nur auf Sportler. Auch Forscher können mit ihren Entdeckungen solche Durchbrüche erzielen. Dies ist der Fall bei Jinyang Liang, Professor am National Institute of Scientific Research (INRS), und seinem Team, das Forschungsergebnisse Kürzlich veröffentlicht in Naturkommunikation.

Die am Telekommunikationsforschungszentrum Énergie Matériaux Télécommunications des INRS ansässige Gruppe hat ein neues ultraschnelles Kamerasystem entwickelt, das bis zu 156,3 Billionen Bilder pro Sekunde mit atemberaubender Auflösung erfassen kann. Zum ersten Mal ist eine zweidimensionale optische Abbildung der ultraschnellen Entmagnetisierung in einer einzigen Aufnahme möglich.

Dieses neue Gerät namens SCARF (Coded Aperture Real-Time Femtophotography) kann die transiente Absorption in Halbleitern und die ultraschnelle Entmagnetisierung von Metalllegierungen erfassen. Diese neue Methode wird dazu beitragen, die Grenzen des Wissens in einem breiten Spektrum von Bereichen voranzutreiben, darunter moderne Physik, Biologie, Chemie, Materialwissenschaften und Ingenieurwesen.

Verbessern Sie bisherige Fortschritte

Professor Liang gilt weltweit als Pionier auf dem Gebiet der ultraschnellen Bildgebung. Im Jahr 2018 war er als Hauptentwickler für einen großen Durchbruch auf diesem Gebiet verantwortlich, der den Grundstein für die Entwicklung von SCARF legte.

Bislang nutzen Hochgeschwindigkeitskamerasysteme überwiegend einen Ansatz, bei dem Bilder sequentiell nacheinander aufgenommen werden. Sie erhalten die Daten durch kurze, wiederholte Messungen und fügen dann alles zusammen, um einen Film zu erstellen, der die beobachtete Bewegung rekonstruiert.

„Allerdings lässt sich dieser Ansatz nur auf inerte Proben oder auf Phänomene anwenden, die jedes Mal auf die gleiche Weise auftreten. Zerbrechliche Proben, geschweige denn nicht reproduzierbare Phänomene oder Phänomene mit extremen Geschwindigkeiten, können auf diese Weise nicht beobachtet werden.“

„Zum Beispiel können Phänomene wie Femtosekundenlaserablation, Stoßwelleninteraktion mit lebenden Zellen und optisches Chaos auf diese Weise nicht untersucht werden“, erklärt Liang.

Das erste von Professor Liang entwickelte Tool trug dazu bei, diese Lücke zu schließen. Das T-CUP-System (Trillion Frames Per Second Ultra-fast Compact Photography) basiert auf der Femtosekunden-Negativfotografie und kann zehn Billionen (10) Bilder erfassen¹³) Bilder pro Sekunde. Dies war ein wichtiger erster Schritt in Richtung Echtzeit-Hochgeschwindigkeitsbildgebung.

Allerdings bleiben Herausforderungen bestehen.

„Viele Systeme, die auf ultraschneller komprimierter Fotografie basieren, haben mit einer verschlechterten Datenqualität zu kämpfen und müssen Abstriche bei der Schärfentiefe machen. Diese Einschränkungen sind auf das Funktionsprinzip zurückzuführen, das gleichzeitig Szenenausschnitt und codierte Blende erfordert.“ “ Liang fährt fort.

SCARF meistert diese Herausforderungen. Seine Bildgebungsmethode ermöglicht ein ultraschnelles Scannen der fest codierten Apertur ohne Beschneidung des ultraschnellen Phänomens. Dies ermöglicht Vollsequenz-Kodierungsraten von bis zu 156,3 Hz für einzelne Pixel auf einer CCD-Kamera (Charge Coupled Device). Diese Ergebnisse können in einer einzigen Aufnahme mit einstellbaren Bildraten und räumlichen Maßstäben sowohl im Reflexions- als auch im Transmissionsmodus erzielt werden.

Eine Reihe von Anwendungen

SCARF ermöglicht die Beobachtung einzigartiger ultraschneller, nicht reproduzierbarer oder schwer reproduzierbarer Phänomene, wie etwa der Stoßwellenmechanik in lebenden Zellen oder Materie. Diese Fortschritte könnten genutzt werden, um bessere Medikamente und medizinische Behandlungen zu entwickeln.

Darüber hinaus verspricht SCARF sehr attraktive wirtschaftliche Vorteile. Zwei Unternehmen, Axis Photonique und Few-Cycle, arbeiten bereits mit Professor Liangs Team zusammen, um eine marktfähige Version ihrer zum Patent angemeldeten Entdeckung zu produzieren. Dies stellt für Quebec eine großartige Gelegenheit dar, seine bereits beneidenswerte Position als führendes Unternehmen im Bereich Photonik zu stärken.

Die Arbeit wurde im Advanced Laser Light Source (ALLS) Laboratory in Zusammenarbeit mit Professor François Legari, Direktor des Telekommunikationsforschungszentrums Énergie Matériaux, und den internationalen Kollegen Michel Hehn, Stefan Mangin und Gregory Malinowski vom Jean L'Amour Institute durchgeführt die Universität. Lauren (Frankreich) und Zhengyan Li von der Huazhong University of Science and Technology (China).