La cámara de vídeo ultrarrápida que alcanza cuatro billones de fotogramas por segundo

Las cámaras de vídeo ultrarrápidas pueden seguir un pulso de luz durante su trayectoria en un material; pero por ahora solo pueden filmar unos pocos fotogramas. Se publica en Physical Review Letters una cámara ultrrápida que alcanza 3.85 billones de fotogramas por segundo y puede tomar hasta 60 fotogramas consecutivos. Para ello se usa la nueva técnica fotográfica CUST (Compressed Ultrafast Spectral-Temporal photography), que usa el mismo pulso láser para exponer cada fotograma en áreas separadas pero superpuestas del sensor de la cámara; marcando cada fotograma con una etiqueta aleatoria antes de llegar al sensor, se puede usar una técnica de reconstrucción espectral que usa estas marcas de tiempo para lograr la reconstrucción del fotograma completo de la imagen.

Gracias a la nueva cámara ultrarrápida se podrán estudiar procesos como la interacción de la luz con el tejido ocular en la cirugía con láser. El artículo es Yu Lu, …, Feng Chen, and Lidai Wang, «Compressed Ultrafast Spectral-Temporal Photography,» Physical Review Letters 122: 193904 (17 May 2019), doi: 10.1103/PhysRevLett.122.193904; más información divulgativa en Mark Buchanan, «Longer Movies at Four Trillion Frames per Second,» APS Physics 12: 55 (17 May 2019) [link], y «Video filmed at four trillion frames per second captures light in a flash,» News, Nature (23 May 2019) [link].

Esta figura ilustra el esquema experimental usado para obtener la imágenes. Se parte de un pulso láser ultracorto de 50 fs (femtosegundos) con una longitud de onda de 800 nm (nanómetros) y un ancho de banda de 18 nm. Se hace pasar por dos rejillas de difracción (1200 líneas/mm @ 750 nm) y dos lentes en el módulo SSM (Spectral-Shaping Module). Se dirige el pulso al módulo PSM (Pulse-Stretching Module) donde se estrecha hace pasar por otra rejilla de difracción (1200 líneas/mm @ 750 nm) resultando un pulso de picosegundos estirado y abierto en frecuencia (stretched chirped pulse). Este pulso atraviesa el objeto (una letra A en rojo en el esquema) y se dirige hay el dispositivo DMD (Digital Micro-mirror Device) a través de una lente (L3). El DMD codifica la imagen reflejada con un patrón binario pseudoaleatorio. El resultado se dirige hacia el sensor CCD a través de un sistema 4F (formado por las lentes L4 y L5, y la rejilla G5, que está colocada en el plano de Fourier del sistema F4). Recomiendo a los interesados en cómo se reconstruye la imagen de cada fotograma que consulten la formulación matemática en el espacio de Fourier de todos estos procesos ópticos que aparece en el artículo (si han estudiado óptica de Fourier son fáciles de entender).

Esta figura ilustra cómo se obtiene una imagen de una letra A usando ocho longitudes de onda distintas. Para obtener más de un fotograma hay que usar una línea de retardo (delay line); en la imagen se muestran las imágenes para cuatro retardos diferentes, en concreto, 0, 4, 8 y 12 ps (picosegundos). Todas las imágenes de la letra A en las cuatro columnas provienen de su iluminación con un mismo pulso láser.

La utilidad de esta cámara ultrarrápida es el seguimiento paso a paso de la interacción de pulsos ópticos con medios materiales. En esta imagen se muestran diez fotogramas de un vídeo de 60 fotogramas (información suplementaria) en el que un pulso óptico se refleja en un cambio de índice de refracción en un sólido transparente. Entre cada dos fotogramas del vídeo pasan solo 414 femtosegundos. Sin lugar a dudas un logro de récord que ayudará al estudio de las interacciones entre pulsos de luz láser y medios materiales.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 31 mayo, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science
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