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A laser pulse hits a glass sample. In the first 100 femtoseconds, the material starts to change. Within 10 nanoseconds, shock waves run through it and material is ejected. In a laboratory experiment reported in the journal Optica, a team at the University of Tokyo has captured that whole sequence in 11 frames, in a single shot.
Une impulsion laser frappe un échantillon de verre. Dans les 100 premières femtosecondes, le matériau commence à changer. En moins de 10 nanosecondes, des ondes de choc le traversent et de la matière est éjectée. Dans une expérience de laboratoire publiée dans la revue Optica, une équipe de l'université de Tokyo a capturé cette séquence entière en 11 images, en un seul tir.
Conventional ultrafast photography works on microsecond (millionths of a second) and millisecond (thousandths of a second) timescales, and takes its images at evenly spaced, or nearly evenly spaced, intervals. That suits events that unfold steadily. It misses the moments where a process changes fastest, because not every important change happens at neatly spaced intervals.
La photographie ultrarapide classique fonctionne aux échelles de la microseconde (millionième de seconde) et de la milliseconde (millième de seconde), et prend ses images à intervalles réguliers, ou presque. Cela convient aux phénomènes qui se déroulent de façon continue. Elle manque en revanche les moments où un processus change le plus vite, car tous les changements importants ne surviennent pas à intervalles bien réguliers.
The team, led by associate professor Keiichi Nakagawa of the Department of Bioengineering, spends its frames where the change is fastest. Its method, logarithmic ultrafast photography, places frames closely together at early times and farther apart later. It is implemented in STAMP (sequentially timed all-optical mapping photography) and uses BRIDGE (band-resolved individual delay generation), which extracts wavelength bands one after another and lets each band be timed independently while still being mapped to a specific instant of the process. The outcome is 11 frames covering about five orders of magnitude in time, from around 100 femtoseconds to 10 nanoseconds. Keitaro Shimada, a postdoctoral researcher in the Nakagawa group and lead author, put the goal simply: “We wanted to find a way to connect these very different timescales in a single measurement.”
L'équipe, dirigée par le professeur associé Keiichi Nakagawa, du département de bio-ingénierie, concentre ses images là où le changement est le plus rapide. Sa méthode, la photographie ultrarapide logarithmique, place les images serrées aux premiers instants et plus espacées ensuite. Elle est mise en œuvre avec STAMP (photographie cartographique entièrement optique à cadencement séquentiel) et utilise BRIDGE (génération individuelle de retards résolue en bandes), qui extrait les bandes de longueurs d'onde l'une après l'autre et permet de chronométrer chaque bande indépendamment, tout en la rattachant à un instant précis du processus. Le résultat est de 11 images couvrant environ cinq ordres de grandeur en durée, de 100 femtosecondes à 10 nanosecondes. Keitaro Shimada, chercheur postdoctoral dans le groupe de Keiichi Nakagawa et premier auteur, a résumé l'objectif simplement : « Nous voulions trouver un moyen de relier ces échelles de temps très différentes dans une seule mesure. »
For researchers in laser processing, materials science, plasma and shock-wave research, and biomedicine, the gain lies in events that are hard to repeat exactly. Nakagawa argues that “recording the early and later stages of the same event can reveal relationships that might be lost when a sequence is reconstructed from separate experiments.” The team proposes these fields as the main uses. Those remain proposals: the demonstration is on glass and on hydroxyapatite, the mineral of bone and teeth, and no date is given for use beyond the laboratory.
Pour les chercheurs en traitement laser, en science des matériaux, en recherche sur les plasmas et les ondes de choc, ainsi qu'en biomédecine, l'intérêt tient aux phénomènes difficiles à reproduire à l'identique. Nakagawa soutient que « enregistrer les premiers et les derniers stades d'un même événement peut révéler des relations qui risqueraient d'être perdues lorsqu'une séquence est reconstituée à partir d'expériences séparées ». L'équipe propose ces domaines comme principaux usages. Il ne s'agit encore que de propositions : la démonstration porte sur du verre et sur l'hydroxyapatite, minéral des os et des dents, et aucune date n'est donnée pour un usage au-delà du laboratoire.
The limits are concrete. Each measurement is one shot, so each event yields one sequence of 11 frames in this setup. The sources reviewed do not give the image resolution, the cost of the equipment or its footprint, which will decide how far the method can travel out of a specialist lab.
Les limites sont concrètes. Chaque mesure correspond à un seul tir, si bien que chaque événement ne donne qu'une séquence de 11 images avec ce dispositif. Les sources consultées ne précisent ni la résolution des images, ni le coût de l'équipement, ni son encombrement, pourtant déterminants pour savoir jusqu'où la méthode pourra sortir d'un laboratoire spécialisé.