Visualización ultrarrápida: 15.000 billones de fotogramas por segundo

Las cámaras de alta velocidad pueden tomar fotos en una rápida sucesión. Esto las hace útiles para visualizar fenómenos dinámicos ultrarrápidos, como la ablación láser de femtosegundos, para procesos precisos de mecanizado y fabricación, el encendido rápido de sistemas de energía de fusión nuclear, las interacciones de ondas de choque en células vivas y ciertas reacciones químicas.

Entre los diversos parámetros a tener en cuenta, la obtención de imágenes secuenciales de los procesos dinámicos ultrarrápidos de los microscopios requiere elevadas velocidades de toma de fotogramas y altas resoluciones espaciales y temporales. En los sistemas actuales de obtención de imágenes, estas características se encuentran en equilibrio entre sí.

Sin embargo, unos científicos de la Universidad de Shenzhen (China) han desarrollado recientemente un sistema de imágenes ultrarrápidas totalmente óptico con altas resoluciones espaciales y temporales, así como una alta frecuencia de obtención de fotogramas. Debido a que el método es totalmente óptico, está libre de los cuellos de botella que surgen del escaneo con componentes mecánicos y electrónicos.

Su diseño se centra en amplificadores ópticos paramétricos no colineales (OPA). ¿Pero cómo es útil un dispositivo de este tipo en un sistema de imágenes de alta velocidad? La respuesta está en una cascada de OPAs. A través de una cascada de cuatro OPA con cuatro cámaras CCD asociadas y cuatro líneas de retardo diferentes para el láser, los científicos crearon un sistema que puede tomar cuatro fotografías en una sucesión extremadamente rápida.

Cuatro imágenes fotográficas de un campo óptico giratorio ultrarrápido grabadas en el modo de disparo único a 15 Tfps. (Foto: Zeng et al., doi 10.1117/1.AP.2.5.056002)

La velocidad de captura de imágenes consecutivas está limitada por lo pequeña que puede ser la diferencia entre dos líneas de retardo del láser. En este sentido, este sistema alcanzó una velocidad efectiva de 15 billones de fotogramas por segundo, una velocidad de obturación récord para cámaras de alta resolución espacial. A la inversa, la resolución temporal depende de la duración de los pulsos de láser que disparan los OPA. En este caso, el ancho del pulso fue de 50 fs (cincuenta millonésimas de nanosegundo). Este método es capaz de observar fenómenos físicos ultrarrápidos, como un campo óptico giratorio que gire a 10 billones de radianes por segundo.

Según Anatoly Zayats, Co-Editor en Jefe de la revista Advanced Photonics, "El equipo de la Universidad de Shenzhen ha demostrado imágenes fotográficas ultrarrápidas con la velocidad de obturación más rápida jamás registrada. Esta investigación abre nuevas oportunidades para el estudio de los procesos ultrarrápidos en varios campos".

Este método de obtención de imágenes tiene posibilidades de mejora, pero podría convertirse fácilmente en una nueva técnica de microscopía. Las futuras investigaciones desvelarán el potencial de este método para darnos una imagen más clara de los fenómenos transitorios ultrarrápidos. (Fuente: NCYT Amazings)