تصویربرداری فمتوثانیهای جهان فوق سریع ماده را آشکار کرد
پژوهشگران روشی نوین در تصویربرداری معرفی کردهاند که قادر است رویدادهای فوقسریع را با جزئیاتی فراتر از توان فناوریهای پیشین ثبت کند. این تکنیک امکان مشاهده و مطالعه فرآیندهایی را فراهم میکند که در بازههای زمانی چندصد فمتوثانیهای رخ میدهند و وضوح و سرعت بیسابقهای ارائه میدهد.
به گزارش scitechdaily، یونهوا یائو سرپرست تیم تحقیقاتی از دانشگاه نرمال شرق چین گفت: در حوزههای فیزیک، شیمی، زیستشناسی و علم مواد بسیاری از پدیدههای حیاتی در مقیاسهای زمانی بسیار کوتاه اتفاق میافتند. تکنیک جدید ما میتواند تکامل کامل روشنایی و همچنین ساختار درونی یک جسم را تنها در یک برداشت ثبت کند. این پیشرفت بزرگی برای درک ماهیت بنیادی ماده، طراحی مواد جدید و حتی کشف سازوکارهای ناشناخته در فرآیندهای زیستی است.
این روش که نتایج آن در نشریه Optica منتشر شده، تصویربرداری فمتوثانیهای فشرده با مدولاسیون همدوس طیفی–زمانی (CST-CMFI) نام دارد. پژوهشگران این فناوری را برای ردیابی پدیدههای فوقسریع بهکار بردهاند؛ ازجمله مطالعه نحوه شکلگیری پلاسما در آب زیر تابش لیزر فمتوثانیهای و بررسی رفتار حاملهای بار در نیمههادی ZnSe هنگام برانگیزش با لیزری مشابه را شامل میشود.
بهگفته یائو این روش میتواند علاوه بر مطالعه مواد حساس به نور، واکنشهای شیمیایی سریع و رفتار دینامیکی مولکولهای زیستی، به پیشرفت فناوریهای لیزر توانبالا برای تحقیقات انرژی پاک، ساخت پیشرفته و ابزارهای علمی کمک کند. همچنین نتایج آن میتواند مسیر توسعه الکترونیک کارآمدتر، سلولهای خورشیدی بهتر و دستگاههای فوقسریع را هموار کند؛ چرا که رفتار مواد را در مقیاسهای زمانی بسیار سریع آشکار میسازد.
پیشبرد مرزهای تصویربرداری تکشات
این پروژه بخشی از تلاشهای آزمایشگاه تصویربرداری نوری فوقسریع دانشگاه نرمال شرق چین برای توسعه دوربینهای فوقسریع، بهویژه سیستمهای تکشات است؛ سیستمهایی که باید رویدادهای غیرقابلتکرار را در یک برداشت ثبت کنند.
تا پیش از این تصویربرداری فوقسریع تکشات عمدتا تغییرات شدت نور را ثبت میکرد؛ در حالی که فاز نور که اطلاعات مهمی درباره خمشدن، تغییر سرعت و رفتار نور هنگام عبور از مواد دارد اغلب نادیده گرفته میشد. پژوهشگران این بار هدف گرفتند که شدت و فاز نور را بهصورت همزمان و در لحظه اندازهگیری کنند.
برای این منظور آنها سه فناوری را ترکیب کردند: نگاشت زمان–طیف، تصویربرداری طیفی فشرده و تصویربرداری مدولاسیون همدوس. هرکدام از این تکنیکها مزیتهایی مانند ثبت تغییرات بسیار سریع، جمعآوری دادههای بیشتر در یک گذر و حفظ جزئیات ظریف تصویر را ارائه میکنند.
در این سیستم از یک پالس لیزر چیرپشده با طول موجهای مختلف استفاده میشود که هرکدام در زمان اندکی متفاوت به هدف میرسند؛ به این ترتیب، زمان در قالب طول موج کدگذاری میشود. هنگامی که این پالس با رویداد فوقسریع برخورد میکند نور پراکندهشده شامل اطلاعات فضایی، طیفی و فازی است که از طریق تصویربرداری مدولاسیون همدوس با پراکندگی در یک تصویر فشرده میشود.
بازسازی هوش مصنوعی و آزمونهای تجربی
در مرحله پردازش یک شبکه عصبی آگاه از قوانین فیزیکی دادهها را تحلیل میکند؛ طول موجها را از هم تفکیک کرده و شدت و فاز را در هر لحظه بازسازی میکند. چون هر طول موج نشاندهنده یک زمان مشخص است خروجی در قالب دنبالهای از فریمها ظاهر میشود که یک ویدئوی فوقسریع از یک برداشت را تشکیل میدهد.
برای ارزیابی کارایی این روش پژوهشگران دو پدیده فوقسریع را بررسی کردند. در نخستین آزمایش آنها شکلگیری پلاسما در آب بر اثر لیزر فمتوثانیهای را بهصورت همزمان در شدت و فاز مشاهده کردند؛ پدیدهای که میتواند در کاربردهایی مانند جراحی لیزری اهمیت داشته باشد. آنها تغییرات شدت و فاز پلاسما و همچنین تشکیل پلاسما با الکترونهای آزاد را دیدند که جذب نور و ضریب شکست آب را تغییر میدهد.
در آزمایش دوم رفتار حاملهای بار در ZnSe پس از برانگیزش نوری بررسی شد. نتایج درکی دقیقتر از نحوه حرکت بارهای الکتریکی در این ماده بهدست داد؛ دانشی که میتواند طراحی دستگاههای الکترونیکی و اپتوالکترونیکی سریعتر و کارآمدتر را بهبود بخشد.
کاربردهای آینده و محدودیتهای فنی
یائو توضیح داد: با استفاده از CST-CMFI توانستیم تغییرات فازی مرتبط با دینامیک حاملها را حتی زمانی مشاهده کنیم که تغییر محسوسی در شدت وجود نداشت. این مزیت مهمی است؛ زیرا اندازهگیری فاز نسبت به شدت حساسیت بسیار بیشتری برای آشکارسازی فرآیندهای فوقسریع ظریف دارد.
تیم پژوهشی قصد دارد این روش را برای مطالعه پدیدههایی مانند دینامیک مرزهای بینسطحی و گذارهای فازی فوقسریع که نیازمند تشخیص تغییرات بسیار کوچک در فاز نور هستند را گسترش دهد.
در حال حاضر CST-CMFI دادههای طیفی را به دادههای زمانی تبدیل میکند؛ موضوعی که توان مطالعه فرآیندهایی را که وابستگی شدید به جزئیات طیفی دارند، محدود میسازد. پژوهشگران برنامه دارند این روش را با فناوری عکاسی فوقسریع فشرده ترکیب کنند تا اطلاعات طیفی و زمانی را بهصورت مجزا و همزمان استخراج کنند؛ اقدامی که میتواند دامنه کاربرد این روش را بهطور چشمگیری گسترش دهد.
انتهای پیام/
