Πολύ γρήγορη απεικόνιση μίας λήψης με 70 τρισεκατομμύρια καρέ ανά δευτερόλεπτο

Η απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο αμέτρητης δυναμικής femtosecond απαιτεί ακραίες ταχύτητες τάξης μεγέθους πέρα ​​από τα όρια των ηλεκτρονικών αισθητήρων. Οι υπάρχουσες μέθοδοι απεικόνισης femtosecond απαιτούν επανάληψη συμβάντων ή παρέχουν απόκτηση μιας λήψης όχι περισσότερο από 10 13 καρέ ανά δευτερόλεπτο (fps) και 3 × 10 2 καρέ. Εδώ, αναφέρουμε τη συμπιεσμένη εξαιρετικά γρήγορη φασματική φωτογραφία (CUSP), η οποία επιτυγχάνει αρκετές νέες εγγραφές σε πολυδιάστατες ταχύτητες απεικόνισης μίας λήψης. Στην ενεργή λειτουργία, το CUSP επιτυγχάνει 7 × 10 13 fps και 10 3καρέ ταυτόχρονα μέσω της συνέργειας της φασματικής κωδικοποίησης, του διαχωρισμού παλμών, της χρονικής διάτμησης και της συμπιεσμένης αίσθησης - επιτρέποντας άνευ προηγουμένου ποσοτική απεικόνιση της ταχείας μη γραμμικής αλληλεπίδρασης φωτός-ύλης. Σε παθητική λειτουργία, το CUSP παρέχει τετραδιάστατη (4D) φασματική απεικόνιση στα 0,5 × 10 12 fps, επιτρέποντας την πρώτη μονόπλευρη φασματική επίλυση μικροσκοπίας απεικόνισης φθορισμού διάρκειας ζωής (SR-FLIM). Ως τεχνολογία πολυδιάστατης απεικόνισης σε πραγματικό χρόνο με τις υψηλότερες ταχύτητες και τα περισσότερα καρέ, το CUSP οραματίζεται να διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο σε πολλές βασικές επιστημονικές μελέτες χωρίς την ανάγκη επανάληψης συμβάντων. Εισαγωγή Οι ταχύτητες απεικόνισης των καμερών περιορίζουν ριζικά την ικανότητα των ανθρώπων να διακρίνουν τον φυσικό κόσμο. Τις τελευταίες δεκαετίες, οι τεχνολογίες απεικόνισης που βασίζονται σε αισθητήρες πυριτίου, όπως CCD και CMOS, βελτιώθηκαν εκτενώς για να προσφέρουν ταχύτητες απεικόνισης έως και εκατομμύρια καρέ ανά δευτερόλεπτο (fps) 1 . Ωστόσο, δεν καταφέρνουν να καταγράψουν μια πλούσια ποικιλία εξαιρετικά γρήγορων φαινομένων, όπως διάδοση υπεριώδους φωτός 2 , ακτινοβολία διάσπασης των μορίων 3 , σχηματισμός Soliton 4 , διάδοση κύματος σοκ 5 , πυρηνική σύντηξη 6 , μεταφορά φωτονίων σε διάχυτα μέσα 7 και μορφολογικά μεταβατικά σε συμπυκνωμένα θέματα 8. Οι επιτυχημένες μελέτες σε αυτά τα φαινόμενα θέτουν τα θεμέλια για τη σύγχρονη φυσική, τη βιολογία, τη χημεία, την επιστήμη των υλικών και τη μηχανική. Για να παρατηρήσετε αυτά τα συμβάντα, απαιτείται ρυθμός καρέ πολύ πάνω από ένα δισεκατομμύριο fps ή ακόμη και ένα τρισεκατομμύριο fps (Tfps). Επί του παρόντος, η πιο ευρέως εφαρμοζόμενη μέθοδος είναι να ενεργοποιήσει το επιθυμητό συμβάν πολλές φορές και εν τω μεταξύ να το παρατηρήσει μέσα από ένα στενό χρονικό παράθυρο σε διαφορετικές χρονικές καθυστερήσεις, η οποία ονομάζεται μέθοδος αντλίας-ανιχνευτή 9 , 10. Δυστυχώς, δεν είναι σε θέση να ηχογραφήσει το συμβάν σε πραγματικό χρόνο και επομένως ισχύει μόνο για φαινόμενα που είναι εξαιρετικά επαναλαμβανόμενα. Εδώ, η απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο ορίζεται ως πολυδιάστατη παρατήρηση ταυτόχρονα με το συμβάν χωρίς επανάληψη συμβάντος. Ήταν μια μακροχρόνια πρόκληση για τους ερευνητές να εφεύρουν εξαιρετικά γρήγορες κάμερες σε πραγματικό χρόνο 11 . Πρόσφατα, μια χούφτα ομάδων παρουσίασαν αρκετές συναρπαστικές μεθόδους απεικόνισης τριών τρισεκατομμυρίων fps μίας βολής, συμπεριλαμβανομένων της φωτογραφικής χαρτογράφησης διαδοχικής χρονομέτρησης 12 , 13 , 14 , απεικόνισης διαίρεσης συχνότητας 15 , μη-γραμμικός οπτικός παραμετρικός ενισχυτής 16 , τομέας συχνότητας streak imaging 17 , και συμπιεσμένη εξαιρετικά γρήγορη φωτογραφία (CUP) 18 , 19. Παρ 'όλα αυτά, κανένα από αυτά δεν έχει ταχύτητες απεικόνισης πέραν των 10 Tfps. Επιπλέον, οι τρεις πρώτες μέθοδοι έχουν τα βάθη ακολουθίας τους (δηλαδή, ο αριθμός των καταγεγραμμένων πλαισίων σε κάθε απόκτηση) περιορίζονται σε................<10 -view="" .="" 12="" 13="" 14="" 15="" 16="" 17="" 18="" 19="" 1="" 20="" 21="" 22="" 23="" 24="" 2="" 2d="" 4d="" 70-tfps="" cup="" cusp="" div="" kerr.="" lambda="" pixel="" s="" streak="" t="" u="" x="" y="">
>>>>>>>>Ένα πλήρες σχηματικό σχήμα του συστήματος. Το ζεύγος beamsplitter που ακολουθείται από μια γυάλινη ράβδο μετατρέπει έναν μοναδικό παλμό femtosecond σε ένα χρονικά γραμμικά στριμμένο παλμό με γειτονικούς υπο-παλμούς διαχωρισμένους με , ο οποίος μπορεί να συντονιστεί σύμφωνα με το πείραμα . b Λεπτομερής απεικόνιση του σχήματος φασματικής διασποράς (μαύρο διακεκομμένο κουτί). c Σύνθεση μιας ακατέργαστης εικόνας CUSP στο s -View, η οποία περιλαμβάνει τόσο τη φασματική διασπορά με το τρίψιμο στην οριζόντια κατεύθυνση όσο και τη χρονική διάτμηση από την κάμερα ραβδώσεων σε κατακόρυφη κατεύθυνση. BS, beamsplitter; DMD, ψηφιακή συσκευή μικρο-καθρέφτη. G, κιγκλίδωμα περίθλασης; L, φακός; Μ, καθρέφτης. Οι λεπτομέρειες εξοπλισμού παρατίθενται στην ενότητα "Μέθοδοι". t s Π........Εικ. 2: Απεικόνιση CUSP ενός εξαιρετικά γρήγορου γραμμικού οπτικού φαινομένου . Σχήμα 2..........
............>ένα Σχηματικό του συστήματος που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση τόσο χωρικών όσο και χρονικών κρημνών στην εισερχόμενη παλμική αμαξοστοιχία χρησιμοποιώντας ένα ζεύγος ανακλαστικών σχαρών περίθλασης (G1 και G2). Κάθε υπο-παλμός έχει θετική χρονική ανατροπή και φωτίζει το δείγμα διαδοχικά. b Επιλεγμένα καρέ από την ανακατασκευασμένη ταινία 70-Tfps της χωρικής και προσωρινής στροβιλισμένης αμαξοστοιχίας που σαρώνει μια ομάδα γραμμάτων. Κάθε πλαίσιο περικόπτεται από το πλήρες οπτικό πεδίο για τη μείωση του κενού χώρου. Ένας δισδιάστατος χάρτης χρησιμοποιεί χρώμα για την αναπαράσταση του μήκους κύματος του φωτισμού και την κλίμακα του γκρι για την αναπαράσταση της έντασης. Η ένταση ομαλοποιείται στο μέγιστο, και ο χρωματικός χάρτης του είναι κορεσμένος στα 0,5 για καλύτερη εμφάνιση ασθενών εντάσεων. Δείτε ολόκληρη την ακολουθία στη Συμπληρωματική ταινία 1. Γραμμές κλίμακας: 1 mm. c Χρονικό προφίλ της έντασης του φωτός σε ( x 1 , y 1 ) (λευκό βέλος στο b ) από το τελευταίας τεχνολογίας T-CUP (κόκκινη διακεκομμένη γραμμή), CUSP (μαύρη συμπαγής γραμμή) και το όριο μετασχηματισμού (κυανό διακεκομμένη γραμμή) υπολογίζεται με βάση την καμπύλη CUSP στο φασματικό πεδίο. Εισαγωγή: ομαλοποιημένα προφίλ έντασης φωτός από CUSP και T-CUP στα πρώτα 2 ps. d Ολοκληρωμένη χωρική ένταση στο μήκος κύματος για πέντε υπο-παλμούς (γραμμές ματζέντα). Το φάσμα αναφοράς (πράσινη γραμμή) μετρήθηκε με ένα φασματόμετρο.
Εικ. 3: Απεικόνιση CUSP ενός εξαιρετικά γρήγορου μη γραμμικού οπτικού φαινομένου . σχήμα3.......

.......ένα Σχηματική της μονής-shot απεικόνιση ενός υπερβραχείας έντονο πολλαπλασιαστικό παλμικό φως σε ένα μέσο Kerr (BGO). Οι πολωτές P1 και P2 έχουν άξονες πόλωσης ευθυγραμμισμένους στους + 45 ° και –45 °, αντίστοιχα. Ένα φίλτρο μακράς διέλευσης, LPF, χρησιμοποιείται για τον αποκλεισμό φθορισμού πολλαπλών φωτονίων. Ένα πλήρες σχήμα είναι στο Συμπληρωματικό Σχ. 10 . b , c 3D απεικονίσεις των ανακατασκευασμένων ταινιών 980 καρέ που αποκτήθηκαν στα 70 Tfps όταν η εστίαση της πύλης είναι ( β ) έξω και ( γ ) εντός του οπτικού πεδίου (FOV). Η μετάδοση ομαλοποιείται σε κάθε μέγιστο. Δείτε τις πλήρεις ταινίες στη Συμπληρωματική ταινία 2 . Οι κάτω επιφάνειες απεικονίζουν το centroid xθέσεις του ανακατασκευασμένου παλμού πύλης έναντι του χρόνου και των αντίστοιχων θεωρητικών υπολογισμών. d , e Αντιπροσωπευτικά στιγμιότυπα των προφίλ κανονικοποιημένης διαπερατότητας (δηλ. προφίλ δέσμης του παλμού πύλης) στο επίπεδο - για το d Πείραμα 1 και e Πείραμα 2, σε επιλεγμένα χρονικά πλαίσια που ορίζονται με μπλε παύλα κουτιά στα ( b ) και ( c ), αντίστοιχα. Ράβδοι κλίμακας: 0,1 mm. f Εξέλιξη της τοπικά κανονικοποιημένης μετάδοσης φωτός σε ένα επιλεγμένο χωρικό σημείο στο Πείραμα 1 [κυανός σταυρός στο ( d )]. Χ ε