Cette caméra fige le temps : 10.000 milliards d’images à la seconde

Qu’arrive-t-il lorsqu’une nouvelle technologie est si précise qu’elle opère à une échelle pour laquelle on ne peut plus la caractériser? À titre d’exemple, les lasers utilisés à l’INRS produisent des impulsions ultrabrèves, de l’ordre de la femtoseconde (10 exp. -15 s), beaucoup trop courtes pour les visualiser. Si certaines mesures sont possibles, rien ne vaut une image claire, s’est dit le professeur de l’INRS Jinyang Liang, spécialiste en imagerie ultrarapide. Avec son équipe et ses collaborateurs au California Institute of Technology, il a développé ce qu’ils ont appelé T-CUP : la caméra la plus rapide du monde, capable de saisir dix billions (10 exp. 13) d’images par seconde. Cette nouvelle caméra permet littéralement de suspendre le temps pour voir les phénomènes – et même la lumière! – au ralenti extrême. Dans les dernières années, la jonction entre les innovations en optique non linéraire et en imagerie a laissé entrevoir de nouvelles méthodes très efficaces pour analyser par microscopie les phénomènes dynamiques en biologie et en physique. Mais pour pouvoir utiliser le potentiel de ces méthodes, il faut être en mesure d’enregistrer les images en temps réel à une résolution temporelle très courte. Et ceci en une seule exposition. Or, les techniques d’imagerie actuelles requièrent que les mesures prises à l’aide d’impulsions lasers ultrabrèves soient répétées à de nombreuses reprises, ce qui convient à certains types d’échantillons inertes, mais qui est impossible pour d’autres plus fragiles. Prenons un verre gravé au laser: il ne peut supporter qu’une seule impulsion laser, laissant moins d’une picoseconde pour saisir ce qui en résulte. Dans un tel cas, la technique d’imagerie doit capter l’intégralité du processus en temps réel. La photographie ultrarapide compressée (Compressed Ultrafast Photography, CUP) offrait un bon point de départ pour l’équipe du professeur Liang. Cette méthode s’approchait des spécifications requises pour intégrer les lasers femtoseconde – avec ses 100 milliards d’images par seconde – sans les atteindre. Pour améliorer le concept, un système a été élaboré, basé sur une caméra à balayage femtoseconde et à image continue, intégrant également un type d’acquisition de données utilisé dans des applications comme la tomographie. « Nous savions qu’en utilisant uniquement une caméra à balayage femtoseconde, la qualité de l’image serait limitée », explique le professeur Liang. « Alors, pour améliorer cela, nous avons ajouté une autre caméra qui acquiert une image statique. Combiné avec l’image acquise par la caméra de balayage femtoseconde, nous pouvons utiliser ce qu’on appelle une transformation de Radon pour obtenir des images de haute qualité tout en enregistrant dix billions d’images par seconde. »

Établissant le record du monde de la vitesse d’imagerie en temps réel, T-CUP peut alimenter une nouvelle génération de microscopes pour des applications biomédicales et en science des matériaux, par exemple. D’un point de vue fondamental, cette caméra ouvre la voie à l’analyse des interactions entre la lumière et la matière dans une résolution temporelle inégalée. Dans sa première utilisation, la caméra ultrarapide a capté, en temps réel et pour la première fois, la focalisation temporelle d’une seule impulsion laser femtosecondes. Ce processus a été enregistré en 25 images prises à 400 femtosecondes d’intervalle et détaillant la forme, l’intensité et le degré d’inclinaison de l’impulsion lumineuse. « C’est en soit un exploit », reconnait Jinyang Liang, « mais nous voyons déjà des possibilités pour augmenter la vitesse jusqu’à un billiard (10 exp. 15) d’images par seconde! » À ces vitesses, les interactions entre la lumière et la matière dévoileront certainement des secrets jusqu’à présent indétectables. Credit : Jinyang Liang, Liren Zhu & Lihong V. Wang

"Single-shot Real-time Femtosecond Imaging of Temporal Focusing", Jinyang Liang, Liren Zhu, and Lihong V. Wang, Light: Science & Applications 7, 42 (2018).

"Single-shot ultrafast optical imaging", Jinyang Liang and Lihong V. Wang Optica 5(9), 1113-1127 (2018).