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Que se passe-t-il lorsqu’une nouvelle technologie est si précise qu’elle fonctionne à une échelle qui dépasse nos capacités de compréhension ? Par exemple, les lasers utilisés à l’INRS produisent des impulsions ultracourtes dans la plage des femtosecondes, ce qui beaucoup trop courtes pour être visualisées.

La caméra la plus rapide au monde

Bien que certaines mesures soient possibles, rien ne vaut une image claire, explique Jinyang Liang, professeur à l’INRS et spécialiste en imagerie ultrarapide. Lui et ses collègues, dirigés par Lihong Wang de Caltech, ont mis au point ce qu’ils appellent la T-CUP: la caméra la plus rapide au monde, capable de capturer 10 billions d’images par seconde. Cette nouvelle caméra permet littéralement de geler le temps pour voir des phénomènes – et même la lumière – au ralenti extrême.

camera-INRSLa T-CUP peut prendre 10 billions d’images par seconde

Ces dernières années, la jonction entre les innovations en matière d’optique non linéaire et d’imagerie a ouvert la voie à de nouvelles méthodes extrêmement efficaces pour l’analyse microscopique des phénomènes dynamiques en biologie et en physique. Mais pour exploiter le potentiel de ces méthodes, il fallait un moyen d’enregistrer les images en temps réel à une résolution temporelle très courte – et cela en une seule exposition.

En utilisant les techniques d’imagerie actuelles, les mesures prises avec des impulsions laser ultra-courtes doivent être répétées plusieurs fois, ce qui est approprié pour certains types d’échantillons inertes, mais impossible pour d’autres plus fragiles; par exemple, le verre gravé au laser ne peut tolérer qu’une seule impulsion laser, ce qui laisse moins d’une picoseconde pour capturer les résultats. Dans un tel cas, la technique d’imagerie doit pouvoir capturer l’ensemble du processus en temps réel.

La T-CUP

La photographie ultra-rapide comprimée (CUP) était un bon point de départ pour eux. À 100 milliards d’images par seconde, cette méthode s’approchait de ce dont ils avaient besoin, mais n’était pas assez quant aux spécifications requises pour intégrer des lasers femtosecondes. Pour améliorer le concept, le nouveau système T-CUP a été développé sur la base d’une caméra à balayage femtoseconde intégrant également un type d’acquisition de données utilisé dans des applications telles que la tomographie.

« Nous savions qu’en utilisant uniquement une caméra à balayage femtoseconde, la qualité de l’image serait limitée », a déclaré le professeur Lihong Wang, professeur d’ingénierie médiane et électrique à Caltech et directeur du laboratoire d’imagerie optique Caltech (COIL). « Pour améliorer cela, nous avons ajouté une autre caméra qui acquiert une image statique. Combinée avec l’image acquise par la caméra à balayage femtoseconde, nous pouvons utiliser ce que l’on appelle une transformation au radon pour obtenir des images de haute qualité tout en enregistrant dix billions d’images par seconde. »

Une nouvelle génération de microscopes

En établissant le record mondial de la vitesse d’imagerie en temps réel, le T-CUP peut alimenter une nouvelle génération de microscopes destinés aux domaines biomédicaux, de la science des matériaux et autres. Cette caméra représente un changement fondamental, permettant d’analyser les interactions entre la lumière et la matière à une résolution temporelle sans pareil.

Lors de sa première utilisation, la caméra ultrarapide a innové en capturant en temps réel la focalisation temporelle d’une seule impulsion laser femtoseconde. Ce processus a été enregistré dans 25 images prises à un intervalle de 400 femtosecondes et a détaillé la forme, l’intensité et l’angle d’inclinaison de l’impulsion lumineuse.

La prochaine étape sera un quadrillion d’images/seconde

« C’est un exploit en soi », a déclaré Jinyang Liang, auteur principal de cette découverte, ingénieur chez COIL au moment de la recherche, « mais nous voyons déjà des possibilités d’augmenter la vitesse jusqu’à atteindre un quadrillion d’images par seconde! » Des vitesses comme celle-ci ne manqueront pas de donner un aperçu des secrets encore indétectables des interactions entre la lumière et la matière.

Les résultats de cette recherche ont été publiés Light Science & Applications.

Source : Institut national de la recherche scientifique – INRS