Τεχνολογία CST-CMFI: Καταγράφει την ένταση και φάση φωτός σε ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου

Σύνοψη

• Η τεχνική CST-CMFI του East China Normal University καταγράφει φαινόμενα στο επίπεδο των femtoseconds (τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου).
• Πρωτοπορεί επιτυγχάνοντας την ταυτόχρονη καταγραφή της έντασης και της κατανομής φάσης του φωτός μέσω μιας και μόνο μέτρησης.
• Η διαδικασία συνδυάζει συμπιεσμένη φασματική απεικόνιση με παλμούς laser μεταβαλλόμενης συχνότητας και νευρωνικά δίκτυα με επίγνωση της φυσικής (PINN).
• Εφαρμόστηκε ήδη επιτυχώς στην παρατήρηση δημιουργίας πλάσματος στο νερό και στη μελέτη δυναμικής ηλεκτρονίων στο ημιαγώγιμο υλικό ZnSe.
• Αναμένεται να επιταχύνει την ανάπτυξη ταχύτερων ηλεκτρονικών μικροεπεξεργαστών, προηγμένων laser ιατρικής ακριβείας και νέων τεχνολογιών καθαρής ενέργειας.

Η επιστημονική κοινότητα διαθέτει πλέον ένα νέο, υπερσύγχρονο εργαλείο παρατήρησης της ύλης. Ερευνητές από το East China Normal University ανέπτυξαν μια καινοτόμο τεχνική απεικόνισης που καταγράφει μικροσκοπικές διεργασίες οι οποίες εξελίσσονται σε κλάσματα του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου (femtoseconds). 

Η συγκεκριμένη μέθοδος δημοσιεύτηκε επίσημα στο επιστημονικό περιοδικό Optica της Optica Publishing Group και υπόσχεται σημαντική επιτάχυνση στην έρευνα της φυσικής, της χημείας και της επιστήμης των υλικών, προσφέροντας δεδομένα που προηγουμένως παρέμεναν απολύτως αόρατα στον διαθέσιμο ερευνητικό εξοπλισμό.

Η ανάλυση υλικών και μικροβιολογικών φαινομένων απαιτεί εξαιρετικά γρήγορα συστήματα λήψης. Μέχρι σήμερα, τα εργαλεία μιας λήψης αντιμετώπιζαν θεμελιώδεις περιορισμούς, καθώς μπορούσαν να ανιχνεύσουν αποκλειστικά τις αλλαγές στη φωτεινότητα ενός αντικειμένου. Η νέα μέθοδος υπερβαίνει αυτούς τους περιορισμούς, καθώς εξάγει ταυτόχρονα πληροφορίες τόσο για τη δομή όσο και για τη μεταβολή της φάσης του φωτός, παράγοντας μια πλήρη καταγραφή της χημικής ή φυσικής αντίδρασης.

Τι είναι η τεχνολογία CST-CMFI και πώς ακριβώς λειτουργεί;

Η τεχνολογία CST-CMFI (Compressed Spectral-Temporal Coherent Modulation Femtosecond Imaging) είναι μια μέθοδος υπερταχείας οπτικής απεικόνισης η οποία συλλαμβάνει και αναλύει ταυτόχρονα τη χωρική ένταση και τη φάση του φωτός σε γεγονότα διάρκειας femtosecond, χρησιμοποιώντας παλμούς laser μεταβαλλόμενης συχνότητας και νευρωνικά δίκτυα για την εξαγωγή πλήρους κινηματογραφικής ακολουθίας από μία μόνο λήψη.

Η συγκεκριμένη υλοποίηση απαιτεί έναν εξαιρετικά εξειδικευμένο συνδυασμό οπτικής φυσικής και προηγμένων αλγορίθμων τεχνητής νοημοσύνης. Οι ερευνητές της ομάδας του Extreme Optical Imaging Laboratory ανέπτυξαν ένα σύστημα που ενσωματώνει τρεις ξεχωριστές αρχές: τη χαρτογράφηση χρόνου-φάσματος, τη συμπιεσμένη φασματική απεικόνιση και τη διαμόρφωση συνεκτικής απεικόνισης.

• Ο παλμός Chirped Laser: Το σύστημα λειτουργεί αξιοποιώντας έναν συγκεκριμένο τύπο παλμού laser, γνωστό ως chirped pulse. Ο παλμός αυτός δεν είναι στατικός, αλλά αποτελείται από διαφορετικά μήκη κύματος φωτός. Το καθοριστικό στοιχείο είναι πως κάθε μήκος κύματος φτάνει στο υπό εξέταση αντικείμενο σε ελαφρώς διαφορετικό χρονικό σημείο. Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει στο σύστημα την άμεση και ακριβή αντιστοίχιση της μεταβλητής του χρόνου με το συγκεκριμένο μήκος κύματος.
• Συλλογή και Συμπίεση Δεδομένων: Καθώς το φως του laser αλληλεπιδρά με το υπερταχύ γεγονός (όπως για παράδειγμα η στιγμιαία παραγωγή πλάσματος ή μια ταχύτατη βιολογική αλλαγή), το φως που σκεδάζεται διατηρεί τις ακριβείς πληροφορίες του χώρου, του φάσματος και της φάσης. Ο τεράστιος αυτός όγκος οπτικών δεδομένων συμπιέζεται αυτομάτως σε μια ενιαία εικόνα μέσω της μεθόδου διαμόρφωσης κωδικοποιημένης διασποράς.
• Ανακατασκευή μέσω AI: Η παραγόμενη, συμπιεσμένη ακατέργαστη εικόνα τροφοδοτείται ακολούθως σε ένα νευρωνικό δίκτυο το οποίο έχει εκπαιδευτεί με βάση τους αυστηρούς νόμους της φυσικής (physics-informed neural network). Το εξειδικευμένο λογισμικό διαχωρίζει ψηφιακά τα μήκη κύματος και ανακτά την ένταση και τη φάση για το καθένα ξεχωριστά. Επειδή το κάθε μήκος κύματος αντιστοιχεί με μαθηματική ακρίβεια σε μια διακριτή χρονική στιγμή, το δίκτυο αναπαράγει με ευκρίνεια μια χρονική ακολουθία καρέ. Το τελικό αποτέλεσμα λειτουργεί πρακτικά ως βίντεο υπερυψηλής ταχύτητας, προερχόμενο από μία και μοναδική έκθεση φωτός.

Η διαφορά μεταξύ έντασης και φάσης φωτός

Ιστορικά, οι τεχνικές υπερταχείας οπτικής απεικόνισης μιας λήψης επικεντρώνονταν αποκλειστικά στις διακυμάνσεις της φωτεινότητας (ή αλλιώς, στην ένταση του φωτός). Αν και η ένταση είναι εξαιρετικά χρήσιμη μεταβλητή, τα φωτεινά κύματα μεταφέρουν και μια δεύτερη, εξίσου κρίσιμη πληροφορία: τη φάση. Η φάση του φωτός αναπαριστά τον ακριβή τρόπο με τον οποίο η φωτεινή δέσμη κάμπτεται, επιβραδύνεται ή αλλάζει απρόσμενα πορεία καθώς διαπερνά ένα υλικό ή μια βιολογική δομή.

Η αδυναμία των παλαιότερων οπτικών συστημάτων να καταγράψουν τις διαφοροποιήσεις της φάσης εμπόδιζε τους ερευνητές να αντιληφθούν πλήρως τις μικροσκοπικές μεταβολές στο εσωτερικό των υλικών. Όπως αποδείχθηκε από τις δοκιμές του Πανεπιστημίου, οι μετρήσεις της φάσης είναι συχνά πολλαπλάσια πιο ευαίσθητες από τις αντίστοιχες μετρήσεις έντασης. Κατά συνέπεια, η προσθήκη της φάσης στα δεδομένα μέτρησης επιτρέπει τον άμεσο εντοπισμό ανεπαίσθητων και κρυφών δομικών μεταβολών, ήδη από τα πρώιμα στάδια εξέλιξης ενός φαινομένου.

Πρακτικές εφαρμογές: Από τους ημιαγωγούς στην ιατρική ακριβείας

Η ερευνητική ομάδα δοκίμασε την πρακτική απόδοση και την αξιοπιστία του συστήματος CST-CMFI παρατηρώντας δύο εξαιρετικά πολύπλοκα, όσο και ταχύτατα, φυσικά φαινόμενα στο εργαστήριο.

1. Παραγωγή Πλάσματος στο Νερό: Κατά τη διάρκεια της πρώτης μεγάλης δοκιμής, οι επιστήμονες παρατήρησαν την εξέλιξη του πλάσματος που παράγεται από ένα femtosecond laser μέσα σε περιβάλλον νερού. Η κατανόηση της συγκεκριμένης διαδικασίας έχει τεράστια σημασία για τη βελτιστοποίηση των χειρουργικών επεμβάσεων με laser και τις στοχευμένες ιατρικές διαδικασίες ακριβείας. Τα αποτελέσματα της οπτικής καταγραφής απεικόνισαν ξεκάθαρα τον σχηματισμό ενός πυκνού πλάσματος ελεύθερων ηλεκτρονίων. Το συγκεκριμένο πλάσμα προκαλεί ακαριαία, τεράστια απορρόφηση ενέργειας και αλλάζει βίαια τον δείκτη διάθλασης του υγρού.
2. Δυναμική Ηλεκτρονίων σε ZnSe: Στο δεύτερο σκέλος των πειραμάτων, ανέλυσαν τη συμπεριφορά των ηλεκτρικών φορτίων στο εσωτερικό του υλικού ZnSe (Σεληνιούχος Ψευδάργυρος), αφότου αυτό διεγέρθηκε από έναν ισχυρό φωτεινό παλμό. Η γνώση του ακριβούς τρόπου με τον οποίο κινούνται, κατανέμονται και αντιδρούν τα ηλεκτρόνια μέσα στο συγκεκριμένο υλικό, προσφέρει την απαραίτητη βάση για τον μελλοντικό σχεδιασμό μικρότερων, ταχύτερων και κυρίως ενεργειακά αποδοτικότερων οπτικών και ηλεκτρονικών διατάξεων.

Τα αμέσως επόμενα βήματα της έρευνας περιλαμβάνουν την περαιτέρω αναβάθμιση του αλγοριθμικού εξοπλισμού για την απεικόνιση δυναμικών επιφανειακών διεπαφών, καθώς και την πλήρη κατανόηση των αλλαγών φάσης στην ύλη κατά τη διάρκεια χημικών αντιδράσεων. Επιπρόσθετα, η ομάδα σχεδιάζει να ενσωματώσει τις αρχές του συστήματος CST-CMFI με την καθιερωμένη τεχνική CUP (Compressive Ultrafast Photography). Με αυτόν τον τρόπο, οι φασματικές και οι χρονικές πληροφορίες θα αναλύονται πλέον εντελώς ανεξάρτητα, μειώνοντας τις παρεμβολές και διευρύνοντας εντυπωσιακά τις δυνατότητες εμπορικής χρήσης της τεχνολογίας.

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!