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26 mai 2023

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by Julie Robert, Institut national de la recherche scientifique - INRS

Une équipe de recherche de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS) dirigée par le professeur Roberto Morandotti a rapporté la première réalisation d'un système de photographie ultra-rapide térahertz (THz) monocoup. Cette réalisation importante publiée dans Nature Communications sera en mesure de fournir à la fois l'évolution spatiale et temporelle de la dynamique ultracourte avec une résolution inférieure à la picoseconde.

En d'autres termes, les chercheurs pourront désormais découvrir les lois cachées de la nature qui régissent la dynamique, qui nécessitent des vitesses d'imagerie d'ordres de grandeur au-delà des limites des capteurs électroniques.

Contrairement au développement rapide de l'imagerie ultrarapide aux longueurs d'onde optiques conventionnelles, l'imagerie ultrarapide monocoup avec rayonnement THz reste inexplorée. Cela est principalement dû au manque cruel de dispositifs clés dans le régime de fréquence THz, tels que les modulateurs et les caméras à grande vitesse, qui sont généralement indispensables pour l'imagerie ultrarapide.

"Ce travail est une réalisation majeure de notre équipe et de nos collaborateurs dans le domaine de l'optique. En tirant parti de la capacité de pénétration unique du rayonnement THz, notre système a pu capturer des événements ultracourts dans des scénarios optiquement opaques, qui ne sont généralement pas accessibles via les fréquences optiques », déclare le professeur Roberto Morandotti, responsable scientifique du laboratoire de manipulation de la lumière à ultra-haute vitesse et auteur correspondant de l'étude.

"Nous avons réussi à déverrouiller l'imagerie ultrarapide en un seul coup dans le régime THz. Grâce à nos travaux, nous pouvons désormais capturer un film de phénomènes ultrarapides irréversibles avec un intervalle de temps inter-image inférieur à 1 picoseconde", déclare Junliang Dong, associé de recherche. dans le laboratoire de Morandotti à l'INRS et premier auteur de l'étude.

La photographie ultrarapide à prise unique est devenue une technique clé pour élucider la dynamique complexe sous-jacente à divers phénomènes ultrarapides dans la nature. Propulsée par les avancées récentes dans les domaines des lasers ultrarapides, des caméras à grande vitesse et de l'imagerie informatique, l'imagerie optique ultrarapide à un seul coup a été capable de capturer des scènes transitoires bidimensionnelles (2D) à plus d'un billion d'images par seconde, assez rapidement pour visualiser des impulsions optiques voyageant dans l'espace à la vitesse de la lumière.

Cependant, les techniques d'imagerie ultrarapide à un seul coup de pointe exigent que les cibles d'imagerie soient optiquement transparentes. Cette restriction empêche ces techniques d'explorer de nombreux phénomènes ultrarapides critiques qui se produisent dans des milieux à faible profondeur de pénétration optique, tels que la dynamique de l'ablation laser dans les céramiques, la magnétisation dans les films de fer et les excitations de porteurs dans les semi-conducteurs.

Récemment, l'imagerie utilisant le rayonnement THz a suscité un intérêt considérable en raison de sa capacité à « voir à travers » divers matériaux. Cependant, l'imagerie THz ultra-rapide à un seul coup est encore au stade embryonnaire en raison de l'absence de caméras THz à haute vitesse.

Dans cette étude, l'équipe de Morandotti du Centre de recherche INRS Énergie Matériaux Télécommunications a exploité la technique d'échantillonnage électro-optique pour la détection THz avec un faisceau sonde optique soigneusement conçu, multiplexé simultanément dans les domaines temporel et spatial-fréquence.

"Puisqu'elle ne repose que sur des composants optiques couramment disponibles, tels que des séparateurs de faisceaux, des lignes à retard optiques, des réseaux et des caméras CCD, notre technique contourne essentiellement le besoin de tout appareil à haute vitesse THz. Même ainsi, il est assez puissant pour enregistrer le des scènes ultrarapides portées par les ondes THz en un seul plan », explique le professeur Morandotti.

Se produisant dans un espace bidimensionnel et des échelles de temps de la femtoseconde à la picoseconde, l'imagerie en temps réel de ces événements transitoires reflète divers mécanismes fondamentaux qui restent complexes et pour la plupart inaccessibles, tels que les réactions chimiques et les interactions lumière-matière.

Classiquement, les méthodes pompe-sonde sont utilisées pour enregistrer la dynamique ultrarapide par des mesures répétées. Néanmoins, de nombreux phénomènes ultrarapides présentent des variations significatives d'un tir à l'autre et de faibles taux d'occurrence, ce qui les rend "non répétables".

Selon les chercheurs, leur système est considéré comme un outil sans précédent pour l'étude des dynamiques non répétables ou destructrices dans les matériaux et structures avancés, tels que les matériaux 2D, et même la matière biologique, comme la peau et les cornées, qui sont généralement optiquement opaques. .

Plus d'information: Junliang Dong et al, Photographie térahertz ultrarapide en une seule prise, Nature Communications (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-37285-3

Informations sur la revue :Communication Nature

Provided by Institut national de la recherche scientifique - INRS