La cámara ultravioleta más rápida del mundo filma fotones volando en tiempo real

El dispositivo tiene una velocidad de imagen de 0.5 billones de cuadros por segundo

Como partículas diminutas que viajan a la velocidad de la luz, se necesitará una máquina seria para capturar fotones en acción, y un equipo internacional de investigadores acaba de reconstruir una que está muy lista para el trabajo. Denominada la cámara UV más rápida del mundo, el dispositivo es capaz de capturar eventos ultrarrápidos que duran solo un picosegundo, lo suficientemente rápido como para ver los fotones UV volar por el aire en tiempo real.

El dispositivo es obra del Institut National de la Recherche Scientifique (Instituto Nacional de Investigación) de Canadá y se conoce con el nombre de UV-CUP (fotografía ultrarrápida comprimida). CUP es una técnica de imágenes emergente que se ha utilizado para capturar eventos ultrarrápidos a velocidades medidas en billones de fotogramas por segundo, pero hasta ahora se ha limitado a longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas.

"Muchos fenómenos que ocurren en escalas de tiempo muy cortas también ocurren en una escala espacial muy pequeña", dice Jinyang Liang, quien dirigió el estudio. "Para verlos, es necesario detectar longitudes de onda más cortas. Hacer esto en el rango de rayos ultravioleta o incluso de rayos X es un paso notable hacia este objetivo".

Para lograr esto, el equipo tuvo que desarrollar primero un fotocátodo especial e integrarlo en lo que se conoce como una cámara rayada (streak camera en inglés), un dispositivo desarrollado específicamente para medir fenómenos ópticos ultrarrápidos. El equipo también necesitaba desarrollar un nuevo algoritmo para tomar los datos y construir una imagen a partir de ellos, como dice Liang.

"Necesitamos dos pasos para operar esta cámara", explica. "Primero, la información en el evento transitorio se comprime en una instantánea en la adquisición de datos. Entonces, esta instantánea adquirida no se parece en nada a una foto tomada por una cámara común ... en segundo lugar, esta instantánea se alimenta a un algoritmo de reconstrucción para recuperar la película".

Esta película, con una duración en el rango de picosegundos a nanosegundos, se puede ver a continuación.

Y aquí hay otra vista, que muestra dos pulsos ultravioleta de femtosegundos que golpean la cámara en diferentes momentos.

Estas imágenes de pulsos UV que muestran fotones moviéndose en tiempo real, fueron capturadas usando un dispositivo compacto con una velocidad de imagen de 0.5 billones de cuadros por segundo.

El equipo espera mejorar aún más su cámara UV-CUP investigando materiales alternativos para su fotocátodo, que actualmente tiene una eficiencia limitada. Aumentar la velocidad del algoritmo y la construcción de imágenes con la ayuda de IA es otro objetivo.

La UV-Cup está ahora en camino a un laboratorio de investigación en Francia, donde se utilizará para capturar diferentes fenómenos físicos. Esto podría incluir la generación de plasma láser y la fluorescencia ultravioleta, lo que podría ayudar a mejorar las técnicas de imágenes médicas utilizadas para diagnosticar enfermedades.

Un artículo que describe la investigación se publicó en la revista Laser & Photonics Reviews: Single‐Shot Ultraviolet Compressed Ultrafast Photography