Nicht erfassen

26. Mai 2023

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von Julie Robert, National Institute for Scientific Research – INRS

Ein Forschungsteam am Institut national de la recherche scientifique (INRS) unter der Leitung von Professor Roberto Morandotti berichtete über die erste Realisierung eines ultraschnellen Single-Shot-Terahertz-(THz)-Fotografiesystems. Diese wichtige Errungenschaft, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, wird in der Lage sein, sowohl die räumliche als auch die zeitliche Entwicklung der ultrakurzen Dynamik mit einer Auflösung im Subpikosekundenbereich zu liefern.

Mit anderen Worten: Forscher werden nun in der Lage sein, die verborgenen Naturgesetze aufzudecken, die die Dynamik bestimmen, die Bildgeschwindigkeiten erfordern, die um Größenordnungen über den Grenzen elektronischer Sensoren liegen.

Im Gegensatz zur rasanten Entwicklung der ultraschnellen Bildgebung bei herkömmlichen optischen Wellenlängen bleibt die ultraschnelle Einzelbild-Bildgebung mit THz-Strahlung unerforscht. Dies ist vor allem auf den gravierenden Mangel an Schlüsselgeräten im THz-Frequenzbereich zurückzuführen, wie etwa Hochgeschwindigkeitsmodulatoren und Kameras, die typischerweise für ultraschnelle Bildgebung unverzichtbar sind.

„Diese Arbeit ist eine große Errungenschaft unseres Teams und unserer Mitarbeiter auf dem Gebiet der Optik. Durch die Nutzung der einzigartigen Durchdringungsfähigkeit der THz-Strahlung war unser System in der Lage, ultrakurze Ereignisse in optisch undurchsichtigen Szenarien zu erfassen, die mit herkömmlichen Methoden normalerweise nicht zugänglich sind.“ optische Frequenzen“, sagt Professor Roberto Morandotti, wissenschaftlicher Leiter des Ultrahigh Speed ​​Light Manipulation Laboratory und korrespondierender Autor der Studie.

„Wir haben die ultraschnelle Einzelbildaufnahme im THz-Bereich erfolgreich freigeschaltet. Dank unserer Arbeit können wir jetzt einen Film irreversibler ultraschneller Phänomene mit einem Zeitintervall zwischen den Bildern von weniger als einer Pikosekunde aufnehmen“, erklärt Junliang Dong, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Morandottis Labor am INRS und Erstautor der Studie.

Die ultraschnelle Einzelaufnahmefotografie hat sich als Schlüsseltechnik zur Aufklärung der komplexen Dynamik herausgestellt, die verschiedenen ultraschnellen Phänomenen in der Natur zugrunde liegt. Angetrieben durch die jüngsten Fortschritte in den Bereichen ultraschnelle Laser, Hochgeschwindigkeitskameras und rechnergestützte Bildgebung ist es der ultraschnellen optischen Einzelaufnahme-Bildgebung gelungen, zweidimensionale (2D) transiente Szenen mit mehr als einer Billion Bildern pro Sekunde schnell genug zu erfassen um optische Impulse sichtbar zu machen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen.

Allerdings erfordern hochmoderne ultraschnelle Einzelbild-Bildgebungstechniken, dass die Bildziele optisch transparent sind. Diese Einschränkung hindert solche Techniken daran, viele kritische ultraschnelle Phänomene zu untersuchen, die in Medien mit einer kurzen optischen Eindringtiefe auftreten, wie etwa die Dynamik der Laserablation in Keramik, die Magnetisierung in Eisenfilmen und Ladungsträgeranregungen in Halbleitern.

In jüngster Zeit hat die Bildgebung mit THz-Strahlung großes Interesse geweckt, da sie verschiedene Materialien „durchschauen“ kann. Allerdings befindet sich die ultraschnelle THz-Einzelaufnahme-Bildgebung aufgrund des Fehlens von Hochgeschwindigkeits-THz-Kameras noch im Embryonalstadium.

In dieser Studie nutzte Morandottis Team vom INRS Énergie Matériaux Télécommunications Research Center die elektrooptische Abtasttechnik zur THz-Detektion mit einem sorgfältig entwickelten optischen Sondenstrahl, der gleichzeitig im Zeit- und Ortsfrequenzbereich gemultiplext wird.

„Da es nur auf allgemein erhältlichen optischen Komponenten wie Strahlteilern, optischen Verzögerungsleitungen, Gittern und CCD-Kameras basiert, umgeht unsere Technik im Wesentlichen die Notwendigkeit von THz-Hochgeschwindigkeitsgeräten. Dennoch ist sie leistungsstark genug, um das aufzuzeichnen.“ „Ultraschnelle Szenen, die von THz-Wellen getragen werden, in einer einzigen Aufnahme“, erklärt Professor Morandotti.

Die Echtzeitbildgebung dieser vorübergehenden Ereignisse, die in einem zweidimensionalen Raum und auf Zeitskalen von Femtosekunden bis Pikosekunden stattfinden, spiegelt verschiedene grundlegende Mechanismen wider, die komplex und größtenteils unzugänglich bleiben, wie etwa chemische Reaktionen und Licht-Materie-Wechselwirkungen.

Herkömmlicherweise werden Pump-Probe-Methoden verwendet, um ultraschnelle Dynamiken durch wiederholte Messungen zu erfassen. Dennoch weisen viele ultraschnelle Phänomene erhebliche Schwankungen von Schuss zu Schuss und geringe Auftrittsraten auf, sodass sie „nicht wiederholbar“ sind.

Den Forschern zufolge soll ihr System ein beispielloses Werkzeug zur Untersuchung nicht wiederholbarer oder zerstörerischer Dynamiken in fortschrittlichen Materialien und Strukturen wie 2D-Materialien und sogar biologischer Materie wie Haut und Hornhaut sein, die normalerweise optisch undurchsichtig sind .

Mehr Informationen: Junliang Dong et al., Ultraschnelle Terahertz-Einzelaufnahmefotografie, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37285-3

Zeitschrifteninformationen:Naturkommunikation

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