Una nueva técnica acelera la medición de pulsos ultrarrápidos

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Cuando miramos un objeto con nuestros ojos, o con una cámara, podemos recoger automáticamente suficientes píxeles de luz en longitudes de onda visibles para tener una imagen clara de lo que vemos.

Sin embargo, para visualizar un objeto o fenómeno cuántico en el que la iluminación es débil, o que emana de longitudes de onda infrarrojas no visibles o del infrarrojo lejano, los científicos necesitan herramientas mucho más sensibles. Por ejemplo, han desarrollado imágenes de un solo píxel en el dominio espacial, como una forma de empaquetar y estructurar espacialmente tantos fotones como sea posible en un detector de un solo píxel y luego crear una imagen utilizando algoritmos computacionales.

Del mismo modo, en el dominio temporal, cuando una señal ultrarrápida desconocida es débil o se encuentra en las longitudes de onda del infrarrojo o del infrarrojo lejano, la capacidad de la imagen de un solo píxel para visualizarla es reducida. Basándose en la dualidad espacio-temporal de los pulsos de luz, los investigadores de la Universidad de Rochester han desarrollado una técnica de imagen de un solo píxel en el dominio del tiempo, descrita en Optica, que resuelve este problema, detectando pulsos de luz ultrarrápida de 5 femtojulios con un tamaño de muestreo temporal de hasta 16 femtosegundos. Esta analogía temporal de la imagen de un solo píxel presenta ventajas similares a las de sus homólogos espaciales: una buena eficiencia de medición, una alta sensibilidad, robustez frente a las distorsiones temporales y la compatibilidad en múltiples longitudes de onda.

El autor principal, Jiapeng Zhao, estudiante de doctorado en óptica de la Universidad de Rochester, afirma que las posibles aplicaciones incluyen una herramienta espectrográfica de gran precisión, que ha demostrado alcanzar un 97,5 por ciento de exactitud en la identificación de muestras mediante una red neuronal convolucional con esta técnica.

Comparación de las imágenes de un solo píxel, a la izquierda, y de las imágenes de un solo píxel en el dominio del tiempo (TSPI), a la derecha. En una configuración típica de imágenes de un solo píxel, el fotodiodo detector sólo tiene un píxel y, por lo tanto, no proporciona ninguna resolución espacial. En la TSPI, el fotodiodo, que carece del ancho de banda temporal necesario para resolver las señales ultrarrápidas por sí mismo, funciona como detector de "un solo píxel" en el dominio del tiempo y se utiliza junto con una puerta temporal programable en abanico basada en un dispositivo digital de microespejos. Crédito: Jiapeng Zhao

La técnica también puede combinarse con la obtención de imágenes de un solo píxel para crear un sistema computacional de imágenes hiperespectrales, afirma Zhao, que trabaja en el grupo de investigación de Robert Boyd, profesor de óptica de Rochester. El sistema puede acelerar enormemente la detección y el análisis de imágenes en bandas de frecuencia amplias. Esto podría ser especialmente útil para aplicaciones médicas, en las que la detección de la luz no visible que emana del tejido humano en diferentes longitudes de onda puede indicar trastornos como la presión arterial alta.

"Al acoplar nuestra técnica con imágenes de un solo píxel en el dominio espacial, podemos tener una buena imagen hiperespectral en unos pocos segundos. Eso es mucho más rápido que lo que se ha hecho antes", afirma Zhao.

Fuentes, créditos y referencias:

Jiapeng Zhao et al, Compressive ultrafast pulse measurement via time-domain single-pixel imaging, Optica (2021). DOI: 10.1364/OPTICA.431455

Imágen: Esquema del montaje experimental que muestra una puerta de abanico temporal (TFO) representada por el recuadro amarillo discontinuo, que incluye un dispositivo digital de microespejo. La dirección de propagación del pulso ultrarrápido de entrada preparado, que se origina en el recuadro azul discontinuo, se muestra en rosa. Las líneas rojas oscuras representan el frente de pulso correspondiente. Crédito: Jiapeng Zhao