Credit: Caltech

Introduzione

Poco più di un anno fa, Lihong Wang della Caltech aveva sviluppato la fotocamera più veloce del mondo, un dispositivo in grado di scattare 10 trilioni di foto al secondo. È così veloce che può persino catturare la luce che viaggia al rallentatore.

Ma il solo essere veloci, a volte, non è abbastanza. In effetti, nemmeno la fotocamera più veloce può scattare foto di cose che non si riesce a vedere. A tal fine, Wang, Bren professor di ingegneria medica e ingegneria elettrica, ha sviluppato una nuova fotocamera che può scattare fino a 1 trilione di immagini al secondo di oggetti trasparenti. Un articolo sulla fotocamera appare nel numero del 17 gennaio della rivista Science Advances.

Tecnologia pCUP

La tecnologia della fotocamera , che Wang chiama phase-sensitive compressed ultrafast photography (pCUP), può catturare video non solo di oggetti trasparenti ma anche di cose più effimere come le onde d’urto e forse anche dei segnali che viaggiano attraverso i neuroni.

Wang spiega che il suo nuovo sistema di imaging combina il sistema di fotografia ad alta velocità che aveva precedentemente sviluppato con una vecchia tecnologia, la microscopia a contrasto di fase, progettata per consentire una migliore imaging di oggetti per lo più trasparenti come le cellule, che sono principalmente acqua.

Un impulso di luce laser viaggia attraverso un cristallo al rallentatore, catturato da una nuova tecnologia fotografica ultraveloce. Credit: Caltech

La Phase-contrast microscopy, inventata quasi 100 anni fa dal fisico olandese Frits Zernike, funziona sfruttando il modo in cui le onde luminose rallentano e accelerano quando entrano in materiali diversi. Ad esempio, se un raggio di luce attraversa un pezzo di vetro, rallenterà quando entra nel vetro e quindi accelera di nuovo quando esce. 

Un impulso di luce laser viaggia attraverso un cristallo al rallentatore, catturato da una nuova tecnologia fotografica ultraveloce.Credit: Caltech

Quei cambiamenti di velocità alterano i tempi delle onde. Con l’uso di alcuni trucchi ottici è possibile distinguere la luce che è passata attraverso il vetro da quella che non lo ha fatto e il vetro, sebbene trasparente, diventa molto più facile da vedere.

Quello che abbiamo fatto è di adattare la microscopia standard a contrasto di fase in modo da fornire un imaging molto veloce, che ci consente di fotografare fenomeni ultraveloci in materiali trasparenti“, afferma Wang.

Tecnologia LLE-CUP

La parte del sistema di imaging veloce è costituita da qualcosa che Wang chiama lossless encoding compressed ultrafast technology (LLE-CUP). A differenza della maggior parte delle altre tecnologie di imaging video ultraveloce che riprendono una serie di immagini in successione durante la ripetizione degli eventi, il sistema LLE-CUP esegue una singola ripresa, catturando tutto il movimento che si verifica durante il tempo necessario per il completamento della ripresa. 

Poiché è molto più veloce eseguire uno scatto singolo rispetto a più scatti, LLE-CUP è in grado di catturare movimenti, come il movimento della luce stessa, che è troppo veloce per essere ripreso da una tecnologia fotografica tipica .

Nel nuovo articolo, Wang e i suoi colleghi ricercatori dimostrano le capacità di pCUP riflettendo la diffusione di un’onda d’urto attraverso l’acqua e di un impulso laser che viaggia attraverso un pezzo di materiale cristallino.

Wang afferma che la tecnologia, sebbene sia ancora agli inizi del suo sviluppo, potrebbe in definitiva essere utilizzata in molti campi, tra cui fisica, biologia o chimica.

Mentre i segnali viaggiano attraverso i neuroni, c’è una piccola dilatazione delle fibre nervose che speriamo di vedere. Se abbiamo una rete di neuroni, forse possiamo vedere la loro comunicazione in tempo reale“, dice Wang. Inoltre, afferma, essendo noto che la temperatura cambia il contrasto di fase, il sistema “potrebbe essere in grado di riprendere come si diffonde un flame in una camera di combustione“.

L’articolo che descrive pCUP è intitolato “Picosecond-resolution phase-sensitive imaging of transparent objects in a single shot“. Co-autori includono Taewoo Kim, uno studioso post-dottorato in ingegneria medica, e Jinyang Liang e Liren Zhu, entrambi ex Caltech.

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