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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.
Un impulso laser colpisce un campione di vetro. Nei primi 100 femtosecondi, il materiale comincia a cambiare. Entro 10 nanosecondi, onde d'urto lo attraversano e parte del materiale viene espulsa. In un esperimento di laboratorio riportato sulla rivista Optica, un team dell'Università di Tokyo ha catturato l'intera sequenza in 11 fotogrammi, con un solo scatto.
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 fotografia ultraveloce convenzionale lavora su scale temporali di microsecondi (milionesimi di secondo) e millisecondi (millesimi di secondo) e scatta le immagini a intervalli uniformi o quasi uniformi. Questo si adatta a eventi che si svolgono in modo costante. Non coglie però i momenti in cui un processo cambia più rapidamente, perché non tutti i cambiamenti importanti avvengono a intervalli ben distanziati.
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.”
Il team, guidato dal professor associato Keiichi Nakagawa del Dipartimento di Bioingegneria, concentra i propri fotogrammi dove il cambiamento è più rapido. Il suo metodo, chiamato fotografia ultraveloce logaritmica, colloca i fotogrammi ravvicinati nelle fasi iniziali e più distanziati in seguito. È realizzato con STAMP (sequentially timed all-optical mapping photography) e utilizza BRIDGE (band-resolved individual delay generation), che estrae una banda di lunghezze d'onda alla volta e permette di temporizzare ciascuna banda in modo indipendente, mantenendola associata a un istante preciso del processo. Il risultato sono 11 fotogrammi che coprono circa cinque ordini di grandezza nel tempo, da circa 100 femtosecondi a 10 nanosecondi. Keitaro Shimada, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Nakagawa e primo autore, ha riassunto così l'obiettivo: «Volevamo trovare un modo per collegare scale temporali così diverse in un'unica misurazione».
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.
Per i ricercatori in lavorazione laser, scienza dei materiali, ricerca su plasma e onde d'urto e biomedicina, il vantaggio sta negli eventi difficili da ripetere esattamente. Nakagawa sostiene che «registrare le fasi iniziali e successive dello stesso evento può rivelare relazioni che potrebbero andare perse quando una sequenza viene ricostruita da esperimenti separati». Il team propone questi campi come principali ambiti di utilizzo. Si tratta però ancora di proposte: la dimostrazione riguarda vetro e idrossiapatite, il minerale di ossa e denti, e non è indicata alcuna data per un utilizzo al di fuori del laboratorio.
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.
I limiti sono concreti. Ogni misurazione richiede un solo scatto, quindi ogni evento produce, con questa configurazione, una sola sequenza di 11 fotogrammi. Le fonti consultate non indicano la risoluzione delle immagini, il costo dell'attrezzatura né il suo ingombro, elementi che determineranno quanto lontano il metodo potrà uscire dai laboratori specializzati.