Un communiqué de presse du 11 octobre 2018 publié par l’INRS, relaie une étude publiée dans la revue Light : Science & Applications. Cette dernière atteste que la propagation de la lumière a pu être observée au ralenti grâce à une caméra ultra-performante.
La propagation de la lumière laser
La vitesse de propagation de la lumière est d’environ 300 000 km/s. Mais, la lumière peut être émise soit en continu, soit de manière impulsionnelle.
Par exemple, certains lasers produisent des ondes de lumière ultracourtes, des impulsions trop rapides pour être visibles par quasiment tous les appareils de mesures. En effet, elles sont de l’ordre de la femtoseconde (10−15 secondes), et ainsi la lumière de ce type de laser apparaît comme produite en continu à l’œil nu. Mais en réalité, le laser femtoseconde produit des ondes lumineuses à une fréquence pulsatile tellement rapide que notre cerveau ne voit pas ces impulsions.
L’œil et le cerveau peuvent voir 1 000 images par seconde, trop peu pour distinguer les impulsions lumineuses de ce type de laser. Ainsi, un appareil qui peut découper les secondes en plusieurs centaines de milliards d’images nous permet d’observer la propagation de la lumière de manière claire et précise.
Crédits : D-Kuru/Wikimedia
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La caméra la plus rapide au monde
Les chercheurs ont ainsi développé une caméra du nom de T-CUP capable de capturer 10 billions d’images par seconde (soit 10 000 milliards) ! Celle-ci permet donc de littéralement geler le temps pour qu’il se déplace de manière extrêmement lente.
De manière générale, pour effectuer de telles mesures, les scientifiques devaient répéter plusieurs fois leur mesure d’imagerie afin d’avoir tout un panel d’images. Ces mesures convenaient très bien lorsque certains lasers rencontraient des surfaces inertes, c’est-à-dire non modifiées par les ondes des lasers. Toutefois, d’autres matériaux ne peuvent pas tolérer ce type de mesure, car le laser déforme leur surface : par exemple le verre que l’on grave au laser. En effet, celui-ci subit des modifications en une seule et unique impulsion laser. Cela ne laisse ainsi qu’une picoseconde (10−12 secondes) pour capturer l’image du laser modifiant le verre.
Ainsi, les chercheurs ont utilisé comme dispositif de départ la photographie ultrarapide comprimée (CUP). En effet, elle peut déjà capter 100 milliards d’images par secondes. Cette méthode a permis d’approcher les capacités requises pour pouvoir capturer pleinement la propagation de la lumière par le laser femtoseconde, sans toutefois l’atteindre. En partant du CUP, ils l’ont amélioré en intégrant une imagerie à balayage femtoseconde, ainsi qu’un type d’acquisition de données qu’utilise par exemple la tomographie.
Lihong Wang, professeur en ingénierie médicale et électrique, et directeur du laboratoire d’imagerie optique Caltech (États-Unis), indique ceci :
« Nous savions qu’en utilisant uniquement une caméra à balayage femtoseconde, la qualité de l’image serait limitée. Donc, pour améliorer cela, nous avons ajouté une autre caméra qui acquiert une image statique. En combinaison avec l’image acquise par la caméra à balayage femtoseconde, nous pouvons utiliser ce que l’on appelle une transformation de radon pour obtenir des images de haute qualité, tout en enregistrant dix billions d’images par seconde. »
Quelques captures vidéo de l’expérience
Vidéo montrant une seule impulsion laser qui passe au travers d’une suspension aqueuse à faible diffusion. Crédits : Nature
Détails spatio-temporels du processus de division du faisceau d’une seule impulsion laser. Une partie de l’impulsion laser est réfléchie pendant que l’autre se propage dans le séparateur avant d’arriver de l’autre côté de celui-ci. Crédits : Nature
Ce que va permettre cette avancée
Avec ce record mondial de vitesse d’imagerie, T-CUP pourra servir aux nouvelles générations de microscopes pour le domaine biomédical, la physique, l’étude des matériaux et encore bien d’autres applications. De plus, cela permettra aussi d’étudier en détail les interactions entre la lumière et la matière. Les chercheurs tentent déjà d’améliorer ce nouveau type de caméra : « Nous entrevoyons déjà des possibilités d’augmenter la vitesse jusqu’à atteindre un billiard d’images par seconde ! (1015) » déclare Jinyang Liang, auteur principal de l’étude.
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