超高速撮影：毎秒15兆フレーム

毎秒、私たちの周りで多くの物理的および化学的プロセスが発生しますが、これらは記録するのが非常に困難です。複雑さは、関係するオブジェクトの寸法だけでなく、プロセス自体の速度にもあります。高速撮影は現代の研究において重要な役割を果たしており、超高速の動的現象を捉えることができます。しかし、このテクノロジーにも限界があり、1秒あたりのフレーム数で誇張して示すことができます。深セン大学（中国）の科学者は、毎秒15兆フレームに達することができる排他的な光学システムを作成することができました。この開発で使用された技術と現象、実際の実験で示されたもの、そしてこの創造物はどこでその応用を見つけることができますか？これらの質問に対する答えは、科学者のレポートにあります。行く。

研究基盤

高速イメージングは​​、フェムト秒レーザーアブレーション、レーザーフィラメントの伝播、分子ダイナミクス、生細胞内の衝撃波の相互作用などの高速動的プロセスを研究するために不可欠なツールです。



予想通り、トランジェントのブレのない視覚化を提供できる超高速光学イメージングは​​、さまざまな科学分野（化学、物理学、光学工学、材料科学、生物医学など）の科学者にとって望ましいツールです。



現時点では、光学イメージングの分野で非常に良い結果を達成することを可能にする多くの技術がすでにあります。たとえば、ポンピングおよびセンシング技術に基づく時間分解イメージングは​​、高い繰り返し率で再現可能な過渡ダイナミクスの優れた仕事をします。ただし、この手法は、繰り返し率が低いプロセスやまったく繰り返されないプロセスで作業する場合、その利点を失います。



ポンプ検知方式は、単一の光学イメージングに置き換えることができます。いくつかの作品は毎秒2500万フレーム（Mfps）に達することさえできました。そして、これが圧縮された超高速写真です（圧縮された超高速写真によるCUP）圧縮センシング*（圧縮センシング）のアルゴリズムに基づくアルゴリズムを適用することにより、約50 psの時間分解能で0.1フレーム/秒兆（Tfps）のフレームレートで動作する可能性があります。

圧縮検知（圧縮検知）*は、希薄化または圧縮された以前の値を知ることにより、信号を取得および回復するための手法です。

この方法の空間分解能は、7 lp / mm（1ミリメートルあたりの線のペア、以下-lp / mm）までスケールアップできます。 20倍のレンズを追加すると、数マイクロメートルの空間解像度と1Tfpsのイメージング速度を実現できる位相敏感圧縮超高速写真（pCUP）が得られます。



この手法は、時間分解能については言えない優れた空間分解能を実現できます。したがって、上記の方法の長所を組み合わせることができる方法が必要です。



科学者の保証では、この役割の優れた候補は、適切な光学パラメトリック増幅（光学パラメトリック増幅によるOPA）です。）。 OPAを光学画像に適用することにより、信号に含まれる情報を「空白」の画像にコピーできます。この機能により、科学者は、非共線光学パラメトリック増幅イメージングと呼ばれるワンショット超高速光学イメージングの新しい方法を作成するようになりました（非共線光学パラメトリック増幅に基づくフレーミングイメージング用のFINCOPA、非共線光学パラメトリック増幅用のNCOPA）。



非同一直線上デバイスでは、一連のレーザーパルスによって励起される多段光学パラメトリック増幅器を使用して、連続するフレームの情報を空間的に分離された空白の画像に変換できます。



この全光学的方法は、高速スキャンのためのアクティブな機械的および電子的コンポーネントに関連するボトルネックも回避します。これは、高いフレームレートにとって重要です。

FINCOPAの仕組み

画像＃1上



の図は、FINCOPAシステムの図です。十分に大きな時間幅のサンプリングパルスを使用して、ターゲットトランジェントのすべての情報をキャプチャしました。さらに、一連の超短パルス（トリガー-1、2、3、および4とラベル付け）を使用して、画像情報をトリガーし、サンプルパルスのさまざまなタイムスライスからさまざまな超短パルスシーケンス（記録-1、2、3、および4とラベル付け）に切り替えました。 ）カスケード光学画像コンバーターを使用します。記録された画像は互いに空間的に分離されているため、さまざまなCCD（Charge Coupled DeviceのCCD ）カメラで受信できます。



フレーム間隔は、サンプルパルスとトリガーパルス間の相対的な遅延によって決定されますが、画像の露光時間は、トリガーパルスの持続時間を使用して推定できます。したがって、露光時間、実効フレームレート、およびフレーム数は互いに独立しています。



このアイデアを実装するには、フェムト秒の時間分解能を持つフェムト秒レーザーシステムが必要です。科学者が指摘しているように、ここではトリガーパルスとサンプリングパルス間の正確な時間同期が非常に重要です。これは、同じレーザー光源からサンプリングパルスとトリガーパルスの両方を取得することで実現されました。これにより、同期パルス間の時間変動が数フェムト秒に減少します。フレーム番号（N）は、各光学イメージコンバーターをトリガーするために必要なパワーに対する利用可能なトリガーパルスパワーの合計の比率によって決定されます。



OPAはアイドル状態の画像に信号情報を表示できるため、光学パラメトリック増幅器は画像コンバータとして機能できます。さらに、OPAのポンピングとして超短パルスを使用することは、OPAイメージングでの短い露光時間、つまり高い時間分解能を意味します。



光パラメトリック増幅器では、OPAはポンプと信号の間の相互作用中にのみ発生します。つまり、画像情報はポンプの動作下でのみアイドル状態で表示されます。ポンプのパルス幅は信号よりもはるかに短いため、光学シャッターとして機能できます。シャッター速度はポンプパルスの持続時間から推定でき、時間分解能は主にアイドルパルスの持続時間によって決定されます。 OPA結晶の厚さが信号とポンプパルス間のタイミング偏差を抑制するのに十分薄い場合、両方の持続時間は互いに等しくなります。



さらに、ポンプパルスの持続時間が非常に短いため、ポンプ強度が高くなります（例：> 100 GW / cm ²）、これもOPAゲインにプラスの効果があり、広い時空間帯域幅を実現できます。



つまり、OPAのポンプ強度は、必要なOPAゲインと帯域幅によって決まりますが、必要な画像サイズとOPAで使用可能なポンプパワーによっても制限されます。



各アンプの特定のポンプ強度と画像サイズまたはポンプ面積について、アンプの数またはフレームの数は、合計ポンプパワーを各アンプのポンプパワーで割ることによって推定できます。さらに、ポンプパルスと信号パルスの間の時間遅延により、各増幅器の信号の露出タイムスライスが決まります（τ）。



各τ値の差から、フレーム間隔を決定できます。 FINCOPAシステムでは、τの値は、時間遅延線（遅延線からのDL ）の使用可能な最小ステップサイズとレーザービームの軌道の変動によってのみ制限されます。通常、フレーム間隔はポンプパルス持続時間よりも長くなります。



図1bは、実験的なFINCOPAセットアップを示しています。



使用されているフェムト秒チタンサファイアレーザーのパラメーターは次のとおりです。 800 nm; 3.5 mJ;パルス幅は約40fsです。レーザー出力は、最初に第2高調波発生器（SHG）：0.2mmβ-BBO結晶を通過します。実験装置の時間分解能は約50fsです。



レーザーパルスの約30％は、約40 fsのパルス幅で2次高調波（つまり、400 nmパルス）に変換されます。波長分離器（波長分離器の場合はWS ）を通過した後、400 nmパルスは3つの50:50スプリッターを含むビームスプリッターグループ（BSG ）によって4つのドーターパルスに分割され、4つの光学パラメトリック増幅器（NCOPA-1 ... NCOPA -4）。増幅器の数またはフレームの数は4に等しく、これは主にフェムト秒レーザーシステムのパルス出力パワー（1kHzで約3.5W）によって制限されます。フェムト秒レーザーのエネルギーが7Wに達すると、フレーム数は4 x 7 / 3.5 = 8と見積もることができます。



変換されていない800nmの基本パルスはWSによって反射されます。波長800nmのレーザーパルスの約1％は、パルスストレッチャー（PS ）に向けられます。これは、パルス幅を50psに増やすパルスディストリビューターです。次に、拡張されたパルスは、ターゲットの超高速イベントを照らすサンプルとして機能し、後続の光パラメトリック増幅器の信号としても機能します。



上記の設定では、4つの光学イメージングシステム（OIS-1からOIS-4）がターゲットと光パラメトリック増幅器の間に使用され、ターゲット平面と増幅器平面が互いに嵌合します。 OIS-1は、光学ズームを使用してNCOPA-1にターゲットを表示し、アンプの空間帯域幅を一致させて、画質を最適化します。 OIS-2、OIS-3、およびOIS-4は、1xリレーの視覚化に使用されます。タイプIの位相整合を備えたOPAには、厚さ0.5 mm、断面積29.2度の4つのβ-BBO結晶が機能します。



各アンプでは、ポンプと信号がβ-BBO結晶の内側に小さな交差角（約2度）で配置されているため、生成された空白の画像は両方から空間的にずれています。それらの間の遅延時間は、DL（DL-1からDL-4）を使用して個別に調整できます。



各空白パスは、レンズを使用してCCDカメラにβ-BBO結晶を表示し、画質を最適化します。

FINCOPAシステムの特徴

OPAイメージングのポンプとしてフェムト秒レーザーパルスを使用することには、いくつかの利点があります。まず、より強いポンプパルスは、光学パラメトリックゲインでより高いゲインを提供できます。第二に、そのようなパルスは大きな空間帯域幅を得ることができます。



利用可能なポンプ強度は、主にOPA結晶へのレーザー損傷によって制限されます。これは、ポンプパルス持続時間にも依存します。ポンピング持続時間が短いほど、利用可能な強度は高くなります。フェムト秒パルスのために、ポンプ強度は、GW / cmで数百に達することができる²。しかし、ナノ秒パルスは、通常、10 GW / cm未満の強度を有する²..。実施された実験では、ポンピングは15 GW / cm ²に設定され、OPAゲインは約30



でした。実際のテストの前に、空間的および時間的キャリブレーションを実行する必要がありました。



まず、4つのCCDの横方向の位置と光学イメージングシステムの倍率を調整する必要がありました。これは、CCDからテスト画像を同時にキャプチャすることによって行われました。



次に、最初の時間が決定されました。信号がポンプシステムNCOPA-1（pump-1）と相互作用する「ゼロ時間」。このパラメータは、DL-1を通過する最初のポンプパルスの遅延を調整することで変更できます。したがって、ＮＣＯＰＡ－２、ＮＣＯＰＡ－３、およびＮＣＯＰＡ－４のヌル位置は、ＮＣＯＰＡ－１によって増幅された信号がＮＣＯＰＡ－２、ＮＣＯＰＡ－３、およびＮＣＯＰＡによっても最大化されるように、それらのポンピングシステムの時間遅延を調整することによって固定することができる。 -4同時に。



アイドラーパルス（idler-1）を使用して転送され、CCD-1カメラによってキャプチャされたフレーム画像が最初の画像です。CCD-2、CCD-3、CCD-4の次の3つの空白画像は、それぞれ2番目、3番目、4番目の画像になりました。時間ゼロからのそれらのモーメントは、ポンプビームの時間遅延を変更するためにDL-2、DL-3、およびDL-4で調整されました。

超高速プラズマアレイイメージング

FINCOPAの性能をテストするために、最初のサンプルとしてプラズマアレイを構築しました。これは、このようなグレーティングが最大10ミクロンの空間周期とピコ秒単位で測定される耐用年数を持つ調整可能な構造を持っているという事実によるものです。したがって、このようなサンプルの視覚化には、サブピコ秒の時間分解能とマイクロメートルレベルの空間分解能が必要です。



格子は、非直線干渉計（からNCI用いて800nmでの2つの非共線超短パルスで励起された非直線干渉計）。励起パルスの総エネルギーは2.4mJ、レンズの焦点長（L）は250mmでした。グレーティング周期は、2つのビームの交差角度（2α）を変更することによって調整されます。





画像No.2



オン2aは2α= 3.8度の格子構造を示し、2bは2aの垂直の白い線に沿って記録された1次元の強度プロファイルを示しています。



格子変調周期は12μmであり、これは垂直方向の約83lp / mmの溝密度に対応することがわかった。デバイスの概念によれば、NCOPAは最大36 lp / mmの空間周波数で空間構造を解決できるため、OIS-1を3倍の倍率に調整して、83 lpmmのグレーティングのNCOPAでサンプルを視覚化しました。



サンプルの2つの励起パルスは、1つのパルスセレクターを備えた周波数1 kHzのTi：Sレーザーシステムから供給されました。シングルパルスセレクターがない場合、イベントは1 kHzの周波数で繰り返されたため、ポンプセンシング方式で検出されました。2cに



見られるように、16個の画像フラグメントを含むNCOPA-1およびCCD-1を使用して、プラズマ格子の進展を記録するためにポンピングプロービングが使用されました。 各フラグメントには、水平方向の空間位置を調整するための垂直の白い線があります。画像の各フラグメントで、プラズマグレーティングは左から右に伝播します。そして、ゼロ点は、プラズマが画像の最初のフラグメントの白い線を横切る瞬間として定義されました（2c）。







グラフ2dは、変調と遅延の関係を示しています。これらのデータの分析は、ポンプパルスが白い線を通過した後、プラズマグレーティングが単調に強くなるが、4ps後に消え始めることを示唆しています。



タイムラプスイメージングでは、Ti：Sシステムの出力にシングルパルスセレクターを取り付けて、シングルフレームプラズマアレイを作成しました。





画像＃3上



の画像は、4つのグループの画像を示しています。各グループには、FINCOPAシステムを使用して取得したグリッドのビデオ録画の4つのフレームが含まれています（ビデオ＃1）。





ビデオ＃1



には図3（a）隣接する空白の画像間の時間間隔は100fsです。これは、FINCOPAが10 Tfpsのフレームレートで動作することを意味します（ビデオ＃2）。





ビデオ＃2



で、されている3A、プラズマのストライプが左から右に格子ことが理解は徐々に時間をかけて見えるようになり、その手段0~300 FSからの電子プラズマ単調増加の密度こと。



で3B提示時間にフレーム0、200、400及び600 FS、すなわちフレーム間の間隔は200fsです（ビデオ＃3）。





ビデオ＃3



プラズマグレーティングのストライプはますます明確になっています。これは、白い線（3f）に沿って変調を変更することで確認できます。3eおよび3fの



データに基づく、フレーム間の間隔が1 psに増加し、記録されたNCOPA-1モーメントがゼロ時間モーメントから1 psに移動されました（ビデオ＃4）。





ビデオ№4



オン3C及び3グラム示す変調曲線および血漿格子（増加傾向を反映した画像図3a及び3bは）。



で3D 5、8、20、30、PS（ビデオ№5）に示すフレーム。フリンジの視認性は時間とともに低下します。これは、プラズマグレーティングが5から30psまで徐々に消え始めることを意味します。その結果、3e - 3gとは対照的に、3hによる変調は時間とともに減少します。





ビデオ＃5



完全な画像からの情報を収集する3E - 3Hを、格子の正規化された変調の時間的特性は、各画像の白線から入手した（上の青いマーク4A、赤マークに対応2dとポンプ-プローブにより得られました）。





画像№4



両方の方法の結果の比較（すなわち、赤と青のラベルの比較）は、両方の方法の結果が一致することを示しました。 FINCOPAシステムは正常に動作しています。



2α= 2.5度の場合、プラズマグレーティングの周期は約18μmになります（つまり、シェーディング密度は56 lp / mmです）。



画像＃3と同じ実験を行いましたが、2α= 2.5で、3.8度ではありません。結果（4b）ポンププロービング法とFINCOPA法の間の正規化された変調の良好な一致を示します。



さらに、その伝播の方向に沿った格子の進化が考慮された。 4x4フレームから、変調係数は、伝播方向に沿った空間座標に応じて、τのさまざまな値（0.8、1、2、および4 ps（5a）など）で取得されました。





画像



No.5τの増加に伴い、変調ピークが右にシフトします。これは、ポンプパルスのペアが左から右に伝搬したことで説明されます。プラズマグレーティングは低強度の変調オブジェクトであるため、測定された画像のコントラストは比較的低くなります。空間フィルタリングを使用すると、背景を削除して画像のコントラストを上げることができました。



別の観察された現象は、ピーク変調値がx方向に沿った中心からの距離とともに減少したことでした。図5bは、x方向に沿った4つの位置（つまり、x = –15、–60、–90、および–500μm）での0〜30psの時間の関数としての格子変調の変化を示しています。すべての位置で同様の変調の変化が見られますが、位置が中央から左に移動すると最大値が減少します。したがって、5bは、格子変調のxへの依存性を意味します。これは、励起パルスの強度のxへの依存性に起因する可能性があります。

回転する光場の超高速イメージング

画像＃6



FINCOPAの時間分解能をさらに検証するために、周波数20 Hz、回転速度10兆ラジアン/秒（Trad / s）を超える超高速回転光場の可視化（7bで設定）を実行しました。





画像＃7



低い繰り返し率（20 Hz）は、このタイプの光場を非常に高い電力（たとえば、数十テラワット以上）に増幅できることを意味します。ただし、レーザーシステムの場合、繰り返し率が低いと、通常、出力パルスがジャンプのように大きく変動するため、ポンプ検出方式では測定が大幅に不正確になる可能性があります。



調査対象のフィールドは、トポロジカル電荷（±l）と時間遅延（δt）が異なる2つのチャープされた渦パルスによって作成されました。チャープパルスのペアの時間遅延を1psに調整すると、光場は角度周波数の差Δω= 〜27 Trad / sで回転します（つまり、回転サイクルは466 fsです）。



FINCOPAシステムは、フレーム間隔Δt= 66.7fsでこのイベントを視覚化しました。毎秒15兆フレームの周波数で（ビデオ＃6）。画像＃6は、200fsで約0.9πradの角度で回転するフィールドを示しています。





ビデオ＃6



研究のニュアンスについてのより詳細な知識については、科学者の報告を調べることをお勧めします。

エピローグ

マスターは楽器なしでは何もないとよく言われます。才能、スキル、知識をキャンセルした人は誰もいないので、おそらくこれは誇張です。ただし、プロセスの調査という観点では、ツールが重要な役割を果たします。



この作業では、科学者は、最大15兆のフレームレートで何でもキャプチャできる実行可能な高速イメージングシステムを実証しました。これまでそのような指標はなかったので、安全に新記録を樹立することができます。



著者自身は、彼らの発案により、すでに研究された現象とプロセスの両方、および必要な機器が不足しているためにまだ検討できなかったものの両方で、多くの新しいことを学ぶことができると確信しています。



もちろん、研究の著者は自慢するつもりはありません。彼らのシステムには改善と改善が必要であり、将来的にはFINCOPA法が従来の顕微鏡法と同じくらい一般的で一般的になるという事実につながる可能性があるからです。少なくともこれは科学者の夢です。時間はそれが現実になるかどうかを教えてくれます。



ご清聴ありがとうございました。好奇心を持ち、良い一週間をお過ごしください。:)

ちょっとした宣伝

ご滞在ありがとうございます。あなたは私たちの記事が好きですか？もっと面白いコンテンツを見たいですか？注文や友人に推薦することにより、私たちをサポートして、クラウドVPS $ 4.99からご開発者のための、私たちはあなたのために発明したことをエントリーレベルのサーバのユニークなアナログ： （KVM）E5-2697 v3の（6つのコア）10ギガバイトDDR4 480ギガバイトSSD 1GbpsのVPSについて全体の真実19ドルからまたはサーバーを正しく分割する方法は？（RAID1およびRAID10、最大24コアおよび最大40GB DDR4で利用可能なオプション）。



アムステルダムのEquinixTier IVデータセンターでは、Dell R730xdの方が2倍安いですか？唯一の我々は2×インテルテトラデカコアのXeon E5-2697v3 2倍の2.6GHzの14C 64ギガバイトDDR4 4x960GB SSD 1Gbpsの$ 199 100テレビオランダ！Dell R420-2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB-99ドルから！ビルのインフラストラクチャを構築する方法についてお読みください。1ペニーで9000ユーロの費用でDellR730xd E5-2650 v4サーバーを使用するクラス？