Imágenes en tiempo real de la focalización temporal de un pulso láser de femtosegundo. Foto: INRS.
Investigadores franceses (INRS) y norteamericanos (Caltech) han creado la cámara más rápida del mundo, capaz de capturar diez billones de fotogramas por segundo (FPS), lo que le permite literalmente congelar el tiempo y ver los fenómenos, incluso la luz, a la máxima ralentización.
En su primera utilización, esta cámara, denominada T-CUP, captó por vez primera y en tiempo real la focalización temporal de un único impulso láser de femtosegundo. Cada pulso de este láser dura menos de la mil billonésima fracción de un segundo.
Este proceso fue registrado en 25 imágenes tomadas a intervalos de 400 femtosegundos y permitió detallar la forma, la intensidad y el grado de inclinación del pulso lumínico. Este resultado ha más que duplicado el récord anterior establecido en 2014 por una cámara que podía obtener 4.4 billones de fotogramas por segundo.
“Es toda una hazaña”, señala el investigador principal, Lihong Wang, de Caltech, en un comunicado. Y añade: “Ahora vemos posibilidades de aumentar hasta un millón de trillones (1 seguido de veinticuatro ceros) la captación de fotogramas por segundo”. A estas velocidades, las interacciones entre la luz y la materia desvelarán secretos hasta ahora indetectables, según estos investigadores.
Desarrollo tecnológico
La nueva cámara se apoya en una tecnología llamada fotografía ultrarrápida comprimida (CUP), que permite capturar alrededor de 100.000 millones de imágenes por segundo. Se vale de una cámara de barrido continuo asociada a una cámara estática.
A este sistema se le añade una recolección de datos mediante una técnica equivalente a la que se usa en tomografía, que permite obtener imágenes radiológicas de una sección o un plano de un órgano, para, mediante cálculos complementarios complejos, analizar los rayos luminosos.
La combinación de ambas cámaras, la de barrido continuo y la estática, con la técnica de análisis de los rayos luminosos, es la que permitió a estos investigadores estabilizar la representación de la imagen y registrar 10 billones de fotogramas por segundo.
“Sabíamos que utilizando únicamente una cámara que mide la variación de intensidad en un pulso de luz, la calidad de la imagen sería limitada”, explica Lihong Whang. “Para mejorarlo, añadimos una cámara que adquiere una imagen estática. Combinada con la imagen tomada por la cámara de barrido por femposegundo, hemos podido obtener imágenes de alta calidad y registrar 10 billones de fotogramas por segundo”, añade.
Como ha alcanzado el récord mundial de la velocidad de captación de imágenes en tiempo real, T-CUP podrá alimentar una nueva generación de microscopios para aplicaciones biomédicas y en ciencia de materiales. Asimismo, esta cámara abre el camino al análisis de las interacciones entre la luz y la materia en una resolución temporal hasta ahora inigualada.
En su primera utilización, esta cámara, denominada T-CUP, captó por vez primera y en tiempo real la focalización temporal de un único impulso láser de femtosegundo. Cada pulso de este láser dura menos de la mil billonésima fracción de un segundo.
Este proceso fue registrado en 25 imágenes tomadas a intervalos de 400 femtosegundos y permitió detallar la forma, la intensidad y el grado de inclinación del pulso lumínico. Este resultado ha más que duplicado el récord anterior establecido en 2014 por una cámara que podía obtener 4.4 billones de fotogramas por segundo.
“Es toda una hazaña”, señala el investigador principal, Lihong Wang, de Caltech, en un comunicado. Y añade: “Ahora vemos posibilidades de aumentar hasta un millón de trillones (1 seguido de veinticuatro ceros) la captación de fotogramas por segundo”. A estas velocidades, las interacciones entre la luz y la materia desvelarán secretos hasta ahora indetectables, según estos investigadores.
Desarrollo tecnológico
La nueva cámara se apoya en una tecnología llamada fotografía ultrarrápida comprimida (CUP), que permite capturar alrededor de 100.000 millones de imágenes por segundo. Se vale de una cámara de barrido continuo asociada a una cámara estática.
A este sistema se le añade una recolección de datos mediante una técnica equivalente a la que se usa en tomografía, que permite obtener imágenes radiológicas de una sección o un plano de un órgano, para, mediante cálculos complementarios complejos, analizar los rayos luminosos.
La combinación de ambas cámaras, la de barrido continuo y la estática, con la técnica de análisis de los rayos luminosos, es la que permitió a estos investigadores estabilizar la representación de la imagen y registrar 10 billones de fotogramas por segundo.
“Sabíamos que utilizando únicamente una cámara que mide la variación de intensidad en un pulso de luz, la calidad de la imagen sería limitada”, explica Lihong Whang. “Para mejorarlo, añadimos una cámara que adquiere una imagen estática. Combinada con la imagen tomada por la cámara de barrido por femposegundo, hemos podido obtener imágenes de alta calidad y registrar 10 billones de fotogramas por segundo”, añade.
Como ha alcanzado el récord mundial de la velocidad de captación de imágenes en tiempo real, T-CUP podrá alimentar una nueva generación de microscopios para aplicaciones biomédicas y en ciencia de materiales. Asimismo, esta cámara abre el camino al análisis de las interacciones entre la luz y la materia en una resolución temporal hasta ahora inigualada.
Innovaciones sucesivas
En los últimos años, la unión entre las innovaciones en óptica no lineal (ONL), la rama de la óptica que describe el comportamiento de las interacciones materia-luz, y en el tratamiento de imágenes, ha abierto nuevos sistemas para analizar por microscopio los fenómenos dinámicos en biología y física.
El microscopio láser, resultado de esta interacción, permite proyectar en una pared la imagen de una muestra acuosa por medio de un láser. De esta forma se pueden ver con facilidad microorganismos a una gran resolución.
Sin embargo, para desarrollar esta tecnología es necesario captar imágenes en tiempo real a una resolución temporal muy corta y mediante una única exposición. Las técnicas actuales de captación de imágenes se apoyan en impulsos láser ultrabreves que se repiten muchas veces, lo que es válido para muestras biológicas inertes, pero no para otras más frágiles.
La nueva investigación ha resuelto de forma ingeniosa estas limitaciones.
En los últimos años, la unión entre las innovaciones en óptica no lineal (ONL), la rama de la óptica que describe el comportamiento de las interacciones materia-luz, y en el tratamiento de imágenes, ha abierto nuevos sistemas para analizar por microscopio los fenómenos dinámicos en biología y física.
El microscopio láser, resultado de esta interacción, permite proyectar en una pared la imagen de una muestra acuosa por medio de un láser. De esta forma se pueden ver con facilidad microorganismos a una gran resolución.
Sin embargo, para desarrollar esta tecnología es necesario captar imágenes en tiempo real a una resolución temporal muy corta y mediante una única exposición. Las técnicas actuales de captación de imágenes se apoyan en impulsos láser ultrabreves que se repiten muchas veces, lo que es válido para muestras biológicas inertes, pero no para otras más frágiles.
La nueva investigación ha resuelto de forma ingeniosa estas limitaciones.
Referencias
Single-shot real-time femtosecond imaging of temporal focusing. Jinyang Liang, Liren Zhu & Lihong V. Wang. Light: Science & Applications, volume 7, Article number: 42 (2018). DOI:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0044-7
Single-shot ultrafast optical imaging. Jinyang Liang and Lihong V. Wang. Optica Vol. 5, Issue 9, pp. 1113-1127 (2018). DOI:https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.001113
Single-shot real-time femtosecond imaging of temporal focusing. Jinyang Liang, Liren Zhu & Lihong V. Wang. Light: Science & Applications, volume 7, Article number: 42 (2018). DOI:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0044-7
Single-shot ultrafast optical imaging. Jinyang Liang and Lihong V. Wang. Optica Vol. 5, Issue 9, pp. 1113-1127 (2018). DOI:https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.001113