Capturando não

26 de maio de 2023

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por Julie Robert, Instituto Nacional de Pesquisa Científica - INRS

Uma equipe de pesquisa do Institut national de la recherche scientifique (INRS), liderada pelo professor Roberto Morandotti, relatou a primeira realização de um sistema de fotografia ultrarrápida de terahertz (THz) de disparo único. Esta importante conquista publicada na Nature Communications será capaz de fornecer a evolução espacial e temporal da dinâmica ultracurta com resolução sub-picossegundos.

Em outras palavras, os pesquisadores agora serão capazes de descobrir as leis ocultas da natureza que governam a dinâmica, que exigem velocidades de imagem de ordens de magnitude além dos limites dos sensores eletrônicos.

Ao contrário do rápido desenvolvimento de imagens ultrarrápidas em comprimentos de onda ópticos convencionais, imagens ultrarrápidas de disparo único com radiação THz permanecem inexploradas. Isso se deve principalmente à grave falta de dispositivos-chave no regime de frequência THz, como moduladores e câmeras de alta velocidade, que normalmente são indispensáveis ​​para imagens ultrarrápidas.

"Este trabalho é uma grande conquista de nossa equipe e colaboradores no campo da óptica. Aproveitando a capacidade única de penetração da radiação THz, nosso sistema foi capaz de capturar eventos ultracurtos em cenários opticamente opacos, que normalmente não são acessíveis por meio convencional frequências ópticas", diz o professor Roberto Morandotti, líder científico do Laboratório de Manipulação de Luz de Ultraalta Velocidade e autor correspondente do estudo.

"Desbloqueamos com sucesso imagens ultrarrápidas de disparo único no regime THz. Graças ao nosso trabalho, agora podemos capturar um filme de fenômenos ultrarrápidos irreversíveis com um intervalo de tempo entre quadros de menos de 1 picossegundo", afirma Junliang Dong, pesquisador associado no laboratório de Morandotti no INRS e primeiro autor do estudo.

A fotografia ultrarrápida de disparo único surgiu como uma técnica chave para elucidar a complexa dinâmica subjacente a vários fenômenos ultrarrápidos na natureza. Impulsionado por avanços recentes nos campos de lasers ultrarrápidos, câmeras de alta velocidade e imagens computacionais, imagens ópticas ultrarrápidas de captura única conseguiram capturar cenas transitórias bidimensionais (2D) em mais de um trilhão de quadros por segundo, rápido o suficiente para visualizar pulsos ópticos viajando pelo espaço na velocidade da luz.

No entanto, técnicas de imagem ultrarrápidas de última geração exigem que os alvos de imagem sejam opticamente transparentes. Essa restrição impede que essas técnicas explorem muitos fenômenos ultrarrápidos críticos que ocorrem em meios com uma profundidade de penetração óptica curta, como a dinâmica de ablação a laser em cerâmica, magnetização em filmes de ferro e excitações de portadores em semicondutores.

Recentemente, a geração de imagens usando radiação THz atraiu um interesse significativo devido à sua capacidade de "ver através" de vários materiais. No entanto, imagens THz ultrarrápidas de disparo único ainda estão em estágio embrionário devido à ausência de câmeras THz de alta velocidade.

Neste estudo, a equipe de Morandotti do INRS Énergie Matériaux Télécommunications Research Center explorou a técnica de amostragem eletro-óptica para detecção de THz com um feixe de sonda óptica cuidadosamente projetado, que é simultaneamente multiplexado nos domínios de frequência espacial e de tempo.

"Uma vez que depende apenas de componentes ópticos comumente disponíveis, como divisores de feixe, linhas de atraso óptico, grades e câmeras CCD, nossa técnica essencialmente ignora a necessidade de quaisquer dispositivos de alta velocidade THz. Mesmo assim, é poderoso o suficiente para gravar o cenas ultrarrápidas transportadas por ondas THz em uma única tomada", explica o professor Morandotti.