Pour étudier différents phénomènes physiques, chimiques ou biologiques par l’optique, les chercheurs ont besoin de pouvoir obtenir des images (et donc des informations) multidimensionnelles. Il existe pour cela ce que l’on appelle l’imagerie optique multidimensionnelle ultrarapide, qui permet, comme son nom l’indique, la détection des phénomènes ultrarapides. Cependant, les systèmes actuels ne peuvent pas capturer correctement les scènes transitoires instables ou irréversibles. Des chercheurs ont donc conçu un nouveau système d’imagerie multidimensionnelle ultrarapide permettant d’obtenir des images en 5 dimensions.
L’imagerie ultrarapide traditionnelle est basée sur la « pompe-sonde », permettant d’acquérir des informations multidimensionnelles à haute résolution, mais sans permettre de capturer correctement les scènes transitoires instables.
Heureusement, la photographie ultrarapide comprimée (CUP), basée sur la détection comprimée et l’imagerie en bandes, surpasse l’imagerie ultrarapide traditionnelle basée sur la pompe-sonde. La CUP a suscité un grand intérêt en raison de sa haute résolution temporelle, de son débit de données élevé et de son acquisition en « one shot » (en une seule fois). Elle a été appliquée avec succès à l’étude de divers phénomènes ultrarapides, tels que la capture de photons ultrarapides, l’observation du cône de Mach optique et la détection de la dynamique chaotique optique.
Toujours mieux, toujours plus rapide
Pour de nombreux phénomènes ultrarapides, la distribution volumétrique spatiale et la composition spectrale de la scène dynamique sont essentielles pour observer les processus dynamiques et explorer les mécanismes potentiels. Bien que l’imagerie optique ultrarapide se soit développée rapidement et que diverses méthodes à résolution spatiale ou spectrale aient été proposées ces dernières années, aucune technique d’imagerie ultrarapide n’a jusqu’à présent été capable d’acquérir des informations temporelles-spatiales-spectrales (x, y, z, t et λ) à cinq dimensions (5D) simultanément, en instantané.
Pour pallier ce problème, une équipe internationale dirigée par Shian Zhang du State Key Laboratory of Precision Spectroscopy de l’East China Normal University, a récemment mis au point et démontré expérimentalement un système CUP spectral-volumétrique (SV) capable de capturer simultanément des informations 5D avec une seule mesure instantanée. Les détails du système ont été publiés dans la revue Advanced Photonics.
Des informations en 5D grâce au système SV-CUP
Le système innovant SV-CUP combine la CUP à la ToF-CUP et la CUP hyperspectrale (HCUP) : la ToF-CUP extrait l’information spatiale 3D et la HCUP enregistre l’information spatiale, temporelle et spectrale 4D. Le complément d’informations 5D est finalement extrait en couplant la ToF-CUP et la HCUP en fonction de leur relation temporelle.
Avec des résolutions spatiales de 0,39, 0,35 et 3 mm dans les directions x, y et z, le système peut résoudre de manière fiable une variété d’objets 3D, comme le démontre la démonstration expérimentale d’un mannequin 3D recouvert de points quantiques.
Le champ de vision est de 8,8 mm x 6,3 mm x 15 mm, et peut être facilement ajusté en remplaçant la lentille du tube en fonction de la scène. Un intervalle de trame temporel de 2 ps et un intervalle de trame spectral de 1,72 nm contribuent à une performance impressionnante, qui permet une imagerie 5D avec une résolution hyperspectrale et volumétrique.
En combinant l’imagerie numérique, la détection comprimée et le traitement d’image, la SV-CUP offre un nouveau schéma pour améliorer la « dimensionnalité » de l’imagerie optique ultrarapide. « Notre SV-CUP apporte des capacités de détection sans précédent aux scènes dynamiques, ce qui offre d’importantes perspectives d’application en recherche fondamentale et en sciences appliquées », écrivent les chercheurs dans leur article.