非を捕捉する

2023 年 5 月 26 日

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Julie Robert著、国立科学研究研究所 - INRS

ロベルト・モランドッティ教授率いる国立科学研究所（INRS）の研究チームは、シングルショット超高速テラヘルツ（THz）撮影システムの初の実現を報告した。 Nature Communications に掲載されたこの重要な成果は、サブピコ秒の解像度で超短ダイナミクスの空間的および時間的進化の両方を提供できるようになります。

言い換えれば、研究者は、電子センサーの限界を超える数桁の画像処理速度を必要とするダイナミクスを支配する隠された自然法則を明らかにできるようになります。

従来の光波長での超高速イメージングの急速な発展とは異なり、THz 放射によるシングルショット超高速イメージングは​​未開発のままです。 これは主に、超高速イメージングに通常不可欠な高速変調器やカメラなど、THz 周波数領域の主要デバイスが大幅に不足しているためです。

「この研究は、光学分野における私たちのチームと協力者による大きな成果です。THz放射の独特の透過能力を利用することで、私たちのシステムは、従来の方法では通常アクセスできない、光学的に不透明なシナリオで超短イベントを捕捉することができました。」光周波数です」と、超高速光操作研究室の科学リーダーであり、この研究の責任著者であるロベルト・モランドッティ教授は述べています。

「私たちはTHz領域でのシングルショット超高速イメージングのロックを解除することに成功しました。私たちの研究のおかげで、フレーム間の時間間隔が1ピコ秒未満で不可逆的な超高速現象の動画を撮影できるようになりました」と研究員のJunliang Dong氏は述べています。 INRSのモランドッティ研究室に所属し、この研究の筆頭著者。

シングルショット超高速写真撮影は、自然界のさまざまな超高速現象の根底にある複雑なダイナミクスを解明するための重要な技術として登場しました。 超高速レーザー、高速カメラ、コンピューテーショナル イメージングの分野における最近の進歩により、シングルショットの超高速光学イメージングにより、2 次元 (2D) の一時的なシーンを 1 秒あたり 1 兆フレーム以上という十分な速さでキャプチャできるようになりました。光の速度で空間を伝わる光パルスを視覚化します。

しかし、最先端のシングルショット超高速イメージング技術では、イメージング対象が光学的に透明であることが必要です。 この制限により、このような技術では、セラミックスのレーザーアブレーション、鉄膜の磁化、半導体のキャリア励起など、光侵入深さが短い媒体で発生する多くの重要な超高速現象を調査することができなくなります。

最近、THz 放射を使用したイメージングは​​、さまざまな物質を「透視する」能力により大きな関心を集めています。 しかし、高速 THz カメラがないため、シングルショットの超高速 THz イメージングは​​まだ初期段階にあります。

この研究では、INRS Énergie Matériaux Télécommunications Research Center のモランドッティ氏のチームが、時間領域と空間周波数領域で同時に多重化される、慎重に設計された光プローブ ビームによる THz 検出のための電気光学サンプリング技術を活用しました。

「ビームスプリッター、光遅延線、回折格子、CCD カメラなどの一般的に入手可能な光学コンポーネントのみに依存するため、私たちの技術は基本的に THz 高速デバイスの必要性を回避します。それでも、それは記録するのに十分強力です。テラヘルツ波によってワンショットで運ばれる超高速シーンです」とモランドッティ教授は説明します。

二次元空間とフェムト秒からピコ秒​​のタイムスケールで発生するこれらの過渡現象のリアルタイムイメージングは​​、化学反応や光物質の相互作用など、依然として複雑でほとんどアクセスできないさまざまな基本的なメカニズムを反映しています。

従来、ポンプ・プローブ法は、繰り返し測定を通じて超高速ダイナミクスを記録するために使用されてきました。 それにもかかわらず、多くの超高速現象はショットごとに大きな変動があり、発生率が低いため、「再現不可能」になります。

研究者らによると、彼らのシステムは、2D材料などの先進的な材料や構造、さらには通常光学的に不透明な皮膚や角膜などの生物学的物質における再現性のない、または破壊的なダイナミクスを研究するための前例のないツールになると構想されているという。 。

詳しくは： Junliang Dong 他、シングルショット超高速テラヘルツ写真、Nature Communications (2023)。 DOI: 10.1038/s41467-023-37285-3

雑誌情報:ネイチャーコミュニケーションズ

提供：国立科学研究研究所 - INRS