Ультрабыстрые события в микромире — образование плазмы, первые шаги химической реакции или «пробуждение» электронов в кристалле — происходят за сотни фемтосекунд (10⁻¹⁵ секунды). Поймать такое событие на камеру чрезвычайно сложно: процесс нельзя повторить точь‑в‑точь, а традиционные ультрабыстрые методы съемки чаще всего показывают лишь изменение яркости объекта, упуская из поля зрения важные детали.
Команда специалистов Восточно‑Китайского педагогического университета под руководством Юньхуа Яо представила инновационную методику, которая позволяет за один «щелчок» камеры увидеть не только, насколько объект стал светлее или темнее, но и как изменилась его внутренняя оптическая структура.
Новый метод называется CST‑CMFI — сжатая спектрально-временная когерентная модуляционная фемтосекундная визуализация. Он одновременно регистрирует и интенсивность света, и его фазу. Фаза показывает, как свет замедляется, преломляется и «закручивается» при прохождении через материал. Это делает метод особенно чувствительным к тонким изменениям структуры, которые практически не меняют яркости объекта.
Система работает на основе лазерного импульса, состоящего из разных длин волн, которые приходят в чуть разные моменты времени. Когда импульс взаимодействует с быстро меняющимся процессом, рассеянный свет несет детальную пространственную, спектральную и фазовую информацию. Эта информация сжимается в единое изображение, а затем нейронная сеть обрабатывает данные, разделяя длины волн и восстанавливая как интенсивность, так и фазу во времени. Результат — последовательность кадров, образующих ультрабыстрый «фильм», снятый за один снимок.
Чтобы проверить метод, ученые рассмотрели два классических ультрабыстрых процесса. В первом эксперименте фемтосекундным лазером фокусировали импульс в воде, создавая плазменный канал. CST‑CMFI позволил увидеть, как в канале не только меняется яркость, но и фаза волны — то есть как формируется плотная плазма свободных электронов, меняющая показатель преломления воды и поглощение света. Понимание этих процессов важно, например, для лазерной медицины и прецизионной обработки материалов.
Во втором опыте ученые оценили динамику носителей заряда в кристалле ZnSe после оптического возбуждения — это ключевой процесс в работе светодиодов, лазеров и фотоприемников. Интересно, что в ряде случаев яркость объекта почти не менялась, тогда как фаза демонстрировала отчетливые вариации, связанные с движением и перераспределением электронов. Это подчеркивает главное преимущество нового метода: фазовые измерения зачастую гораздо чувствительнее к тонким ультрабыстрым процессам, чем простая съемка интенсивности свечения.
В перспективе авторы работы хотят использовать CST‑CMFI для изучения границ раздела материалов, сверхбыстрых фазовых переходов и других процессов, где решающую роль играют малые сдвиги фазы. Сейчас метод «перекодирует» спектр во время, что ограничивает изучение явлений, чувствительных к собственно спектральным изменениям.
Поэтому следующим шагом ученые хотят объединить CST‑CMFI с технологиями компрессивной ультрабыстрой фотографии, чтобы разделить регистрацию спектра и времени и расширить набор задач: от разработки солнечных элементов и сверхбыстрых электрооптических устройств до фундаментальной химической кинетики и биофизики.
Ранее ученые выяснили, что фононный лазер может с беспрецедентной точностью измерять гравитацию.
Источник: hi-tech.mail.ru