Catturare no

26 maggio 2023

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di Julie Robert, Istituto Nazionale di Ricerca Scientifica - INRS

Un gruppo di ricerca dell’Institut national de la recherche scientifique (INRS) guidato dal professor Roberto Morandotti ha riportato la prima realizzazione di un sistema fotografico a scatto singolo ultraveloce terahertz (THz). Questo importante risultato pubblicato su Nature Communications sarà in grado di fornire l’evoluzione sia spaziale che temporale della dinamica ultracorta con risoluzione inferiore al picosecondo.

In altre parole, i ricercatori saranno ora in grado di scoprire le leggi nascoste della natura che ne governano le dinamiche, che richiedono velocità di imaging di ordini di grandezza oltre i limiti dei sensori elettronici.

A differenza del rapido sviluppo dell’imaging ultraveloce alle lunghezze d’onda ottiche convenzionali, l’imaging ultraveloce a scatto singolo con radiazione THz rimane inesplorato. Ciò è dovuto principalmente alla grave mancanza di dispositivi chiave nel regime di frequenza THz, come modulatori e telecamere ad alta velocità, che sono tipicamente indispensabili per l’imaging ultraveloce.

"Questo lavoro rappresenta un risultato importante da parte del nostro team e dei nostri collaboratori nel campo dell'ottica. Sfruttando la capacità unica di penetrazione della radiazione THz, il nostro sistema è stato in grado di catturare eventi ultracorti in scenari otticamente opachi, che in genere non sono accessibili tramite le vie convenzionali". frequenze ottiche", afferma il professor Roberto Morandotti, responsabile scientifico del Laboratorio di manipolazione della luce ad altissima velocità e autore corrispondente dello studio.

"Abbiamo sbloccato con successo l'imaging ultraveloce a scatto singolo nel regime THz. Grazie al nostro lavoro, ora possiamo catturare un film di fenomeni ultraveloci irreversibili con un intervallo di tempo tra fotogrammi inferiore a 1 picosecondo", afferma Junliang Dong, ricercatore associato. nel laboratorio di Morandotti presso l'INRS e primo autore dello studio.

La fotografia ultraveloce a scatto singolo è emersa come una tecnica chiave per chiarire le complesse dinamiche alla base di vari fenomeni ultraveloci in natura. Spinto dai recenti progressi nel campo dei laser ultraveloci, delle fotocamere ad alta velocità e dell'imaging computazionale, l'imaging ottico ultraveloce a scatto singolo è stato in grado di catturare scene transitorie bidimensionali (2D) a più di un trilione di fotogrammi al secondo, abbastanza velocemente per visualizzare impulsi ottici che viaggiano nello spazio alla velocità della luce.

Tuttavia, le tecniche di imaging ultraveloce a scatto singolo all’avanguardia richiedono che i target di imaging siano otticamente trasparenti. Questa restrizione impedisce a tali tecniche di esplorare molti fenomeni ultraveloci critici che si verificano nei mezzi con una profondità di penetrazione ottica ridotta, come la dinamica dell'ablazione laser nelle ceramiche, la magnetizzazione nei film di ferro e le eccitazioni dei portatori nei semiconduttori.

Recentemente, l'imaging utilizzando la radiazione THz ha raccolto un notevole interesse grazie alla sua capacità di "vedere attraverso" vari materiali. Tuttavia, l’imaging THz ultraveloce a scatto singolo è ancora in fase embrionale a causa dell’assenza di telecamere THz ad alta velocità.

In questo studio, il team di Morandotti del Centro di ricerca Énergie Matériaux Télécommunications dell'INRS ha sfruttato la tecnica di campionamento elettro-ottico per il rilevamento dei THz con un fascio di sonda ottica attentamente progettato, che viene simultaneamente multiplexato nel dominio del tempo e della frequenza spaziale.

"Poiché si basa solo su componenti ottici comunemente disponibili, come divisori di fascio, linee di ritardo ottiche, reticoli e telecamere CCD, la nostra tecnica essenzialmente ignora la necessità di dispositivi ad alta velocità THz. Anche così, è abbastanza potente da registrare il scene ultraveloci trasportate dalle onde THz in un unico scatto", spiega il professor Morandotti.