Fotografare la luce a 4 trilioni di fotogrammi al secondo? Fatto

Catturare l'immagine del movimento della luce potrebbe sembrare un paradosso e in effetti per riuscirci i ricercatori hanno dovuto usare alcuni trucchetti tecnici (vedi sotto).

Cominciamo con il dire che una volta tanto la definizione di ultra-veloce non è una esagerazione: parliamo infatti di un sistema di rilevazione (compressed ultrafast spectral-temporal - CUST), che ha il doppio vantaggio di permettere sia un frame rate elevato che un alto numero di fotogrammi.

Con frame-rate elevato intendo fino a 4 trilioni di fotogrammi al secondo (un trilione per gli anglosassoni è pari al nostro bilione, cioè 10¹² o in termini semplici 1000 miliardi).

La novità non è paradossalmente nel numero di fps catturati (che è cosa diversa dai fps usati durante la riproduzione del video) ma nella lunghezza della ripresa video che finora era limitata da limiti contingenti alla dimensione del sensore.

Semplifichiamo il problema.

Le telecamere ad alta velocità oggi in uso (non mi riferisco ovviamente ai prodotti consumer) acquisiscono gli analoghi dei fotogrammi su sensori basati su semiconduttori. In genere ciascun fotogramma di una sequenza è "registrato" su un'area separata del sensore. La lunghezza del filmato ottenibile è quindi intrinsecamente limitata dalla dimensione del sensore e a cascata dal numero ridotto di fotogrammi "catturabili".

Per superare il limite (senza bisogno di ingigantire i sensori) i ricercatori hanno utilizzato un metodo definito "campionamento compressivo" che consente alle immagini di "sovrapporsi" parzialmente sul CCD pur rimanendo univocamente tracciabili. Ogni fotogramma finisce su aree separate ma sovrapposte del sensore e ciascun fotogramma successivo, prima ancora che arrivi sul sensore, viene "etichettato" (tagged). I tag permetteranno poi di ricostruire l'immagine come una successione di fotogrammi distinti.
Una volta fatta la ripresa questa verrà convertita in un sequenza a 60 fps (quella di una HDTV) ma estremamente dettagliata grazie ai sui 4 trilioni di fotogrammi al secondo di partenza. Il risultato, sotto riportato, mostra un impulso luminoso mentre viaggia attraverso un materiale.

Credit: Y. Lu et al./Phys. Rev. Lett.

Catturare un raggio luminoso è cosa ardua sia per la sua velocità (300 mila km al secondo nel vuoto) che per ragioni "di riferimento". Per vedere un movimento è necessario infatti avere punti di riferimento, quale può essere la "testa" (inizio) e la "coda" (fine) di quello che si vuole osservare. Se si vuole seguire il movimento di un raggio luminoso bisognerà allora imporre una serie di condizioni sperimentali o, se vogliamo, usare trucchetti tecnici.
Per prima cosa servirà un impulso di breve durata. Una soluzione utile ma non sufficiente. L'escamotage decisivo scelto dai ricercatori è stato quello di usare un impulso laser contenente una gamma ristretta di frequenze, trasmesso attraverso un sistema di lenti e un reticolo di diffrazione. L'effetto finale è "lo stiramento" dell'impulso, dura più a lungo, e che prende il nome di "impulso chirp"

Questo impulso avrà frequenze più alte nella parte "guida" e frequenze più basse in quella che segue. Al fine di ottenere una immagine 2D facile da visualizzare, l'impulso viene poi "allargato" perpendicolarmente alla sua propagazione; per dare l'idea è come se partendo da un linea di luce (monodimensionale) si ottenesse un nastro (bidimensionale).

Impulsi laser con tale strutturazione nella frequenza possono essere "facilmente" utilizzati nella registrazione su sensore (come una successione di fotogrammi) poiché vi è una corrispondenza precisa tra la frequenza della luce e la sua posizione all'interno dell'impulso.

Terzo trucchetto, quello di fare passare l'impulso attraverso un oggetto trasparente. L'impulso chirp interagisce con l'oggetto e la luce diffusa imprime su esso una "immagine" 2D casuale (i tag di cui sopra) prima di essere catturato dal sensore CCD. 

Per dirla un poco meno genericamente, le informazioni temporali o spettrali legate all'impulso vengono codificate spazialmente e compresse in un'unica immagine 2D. Le varie immagini vengono poi ricostruite dall'immagine 2D compressa utilizzando un particolare algoritmo. Il vantaggio è che le immagini ricostruite non sono limitate dalla velocità di acquisizione del sensore, garantendo così un'alta risoluzione temporale/spettrale.

I ricercatori hanno dimostrato la fattibilità dell'approccio fotografando un breve e intenso impulso di luce durante il passaggio attraverso un solido trasparente. 

Con un singolo impulso chirp, il sistema poteva produrre 1 immagine ogni 260 femtosecondi (10⁻¹⁵ sec) e generare un video a 60 fotogrammi in modo indipendente dalla velocità di acquisizione del sensore. L'immagine vista prima mostra un impulso di luce che lascia il materiale e viene riflesso nuovamente (tempo richiesto per l'azione 414 femtosecondi).

Sistemi di questo tipo potrebbero essere utilizzati per osservare processi come l'interazione tra la luce e un tessuto biologico nella chirurgia laser.

Fonte

- Compressed Ultrafast Spectral-Temporal Photography

Yu Lu et al, (2019) Phys. Rev. Lett. 122, 193904

- Camera captures four trillion frames per second 

Electronics Weekly (05/2019)

- Video filmed at four trillion frames per second captures light in a flash

Nature / news