백서
강력한 기술은 놀라운 1조 프레임/초로 단일 초고속 이벤트를 이미지화합니다.
개요
순차적으로 시간이 지정된 전광학 매핑 사진(STAMP)은 다음을 사용합니다.일관된 Astrella~100fs에서 수 ns의 시간 단위로 비디오 버스트를 캡처합니다. 이를 통해 예를 들어 테라헤르츠파 생성 및 전파(~100fs 시간 척도), 레이저 절제의 플라즈마 역학(~1ps), 물 속의 충격파(~1ns)에 대한 연구가 가능합니다.
고속 이미징 방법의 필요성
초고속 현상을 시각화하는 전통적인 방법은 펌프-프로브 접근 방식입니다. 이 기술에서는 레이저 펄스를 사용하여 연구 중인 샘플을 자극한 다음 특정 짧은 지연 후에 프로브 펄스가 스냅샷 이미지를 캡처합니다. 그런 다음 일련의 샷에 걸쳐 이 지연량을 순차적으로 증가시켜 비디오를 구축합니다. 그러나 이는 유용하고 강력한 기술이지만 샘플이 활성화될 때마다 하나의 스냅샷만 찍을 수 있기 때문에 일관되고 균일하게 반복되는 반복 이벤트를 이미징하는 데에만 적합합니다.
음파 및 빛과 물질, 특히 생체 조직의 상호 작용을 포함하는 다양한 연구 프로젝트를 추구하는 그룹을 이끌고 있습니다. 몇 년 전, 그들은 음향 파면의 전파와 같은 단일(반복되지 않는) 매우 역동적인 이벤트의 초고속 비디오 스트림을 생성하는 방법이 필요하다는 것을 깨달았습니다. 그들은 이러한 요구를 충족시키기 위해 STAMP를 개발했습니다[1].
몇 년 전, 그들은 음향 파면의 전파와 같은 단일(반복되지 않는) 매우 역동적인 이벤트의 초고속 비디오 스트림을 생성하는 방법이 필요하다는 것을 깨달았습니다. 그들은 이러한 요구를 충족시키기 위해 STAMP를 개발했습니다.
어떻게 작동하나요?
STAMP의 기본 원리는 그림 1에 요약되어 있습니다. STAMP는 바카라 카지노 Astrella 티타늄:사파이어 펨토초 증폭기의 넓은 스펙트럼 대역폭과 충분한 펄스 에너지를 활용합니다. 먼저 펨토초 펄스가 처핑에 의해 늘어나거나 분할되어 샘플을 조명하는 데 사용되는 다양한 파장 구성 요소가 시차를 두고 지연 시간을 두고 도착합니다. 나카가와는 이 부분을 '시간 매핑'이라고 부릅니다.
샘플을 통과한 후 각 하위 펄스는 파장별로 분리된 다음 (CCD 또는 CMOS) 카메라 배열의 특정 영역으로 향합니다. 따라서 각 영역은 별도의 비디오 프레임이 됩니다. 이러한 방식으로 레이저 펄스 및 감지는 빠른 스트로브 조명 및 이미징 장치처럼 작동합니다.
그림 1: STAMP는 레이저 펄스를 서로 다른 파장을 갖는 하위 펄스로 분할합니다(따라서 시간 지연). 대상을 조명한 후 하위 펄스가 분리되어 카메라 어레이에 기록됩니다[1].
STAMP 성능 확장
처음에 기술을 개발한 이후 Nakagawa 그룹은 세 가지 방법으로 기능을 확장하기 위해 STAMP를 계속 혁신해 왔습니다. 확장을 위한 한 가지 방법은 펄스의 시간적 매핑을 위한 영리한 기술을 만드는 것입니다. 원래 그들은 시간 매핑을 달성하기 위해 유리 막대나 섬유에서 경험되는 자연적인 분산에 의존했습니다. 하지만 이는 비디오 시간 척도를 피코초 이벤트 이상으로 제한합니다.
나노초 단위로 사건을 측정하기 위해 그들은 최근 "스펙트럼 회로"라는 광학 장치를 개발했습니다. 이 접근 방식에서 광 펄스는 공간적으로 처프된 다음 4개의 거울에 의해 생성된 경로 주위를 순환하면서 트랩됩니다(그림 2 참조). 빛이 탈출하기 전에 만드는 랩 수는 파장에 따라 다릅니다. 따라서 모든 랩은 이전보다 더 긴 파장의 하위 펄스를 방출합니다. 이는 나노초 단위의 하위 펄스 스트림을 생성합니다.
그들은 또한 STAMP의 공간 매핑 부분을 혁신하는 데 바빴습니다. 예를 들어, 그들은 "슬라이싱 거울"이라고 부르는 영리한 다면 거울을 발명했습니다. 이를 통해 두 대의 카메라 각각에서 3X3 패턴의 하위 펄스를 이미지화하여 모두 높은 공간 픽셀 해상도에서 총 18프레임의 비디오 버스트를 생성할 수 있습니다.
또한 Nakagawa 그룹은 초고속 단발 이미징의 완전히 새로운 개념인 다중 색상 STAMP를 개발했습니다. 2색 STAMP라고 하는 한 버전에서는 a의 두 번째 고조파에서 펄스를 생성합니다.바카라 카지노 Astrella 티타늄:사파이어 펨토초 증폭기그리고 이러한 400nm 하위 펄스를 기본 800nm 하위 펄스와 함께 사용하여 해당 기술을 실행합니다. 이 방식을 사용하면 초고속 현상의 '컬러 이미지'를 획득할 수 있으므로 전례 없이 빠른 스펙트럼 이미징이 가능해집니다.
그림 2:스펙트럼 회로는 랩 수와 이에 따른 지연이 펄스 파장에 따라 달라지도록 배열됩니다 [2].
STAMP로 이미지화한 일부 프로세스
나카가와 그룹은 STAMP를 사용하여 산업 자재 가공 및 생명 과학과 같은 다양한 분야의 프로세스를 조사했습니다.
테라헤르츠(THz) 파는 재료 과학, 생명 공학 및 의학, 전자 장치 및 환경과 같은 분야에서 광범위하게 응용될 수 있는 전자기파입니다.초단 펄스(USP) 레이저는 강렬한 초단 THz 파를 생성하는 데 널리 사용됩니다. 이 현상은 초단시간 단위로 발생하기 때문에 이전에는 시간 분해 펌프-프로브 방법을 기반으로 한 반복 영상을 통해서만 관찰되었습니다.
STAMP를 사용하여 Nakagawa의 그룹은 초단 펄스를 강유전성 결정으로 보내고 관련 초고속 역학을 관찰함으로써 움직이는 프레임으로 THz 파 생성의 순간을 최초로 포착했습니다.
그림 3은 4.4 Tfps로 획득한 THz 파의 생성 및 전파를 보여줍니다. 처음에는 격자 진동이 무작위로 여기되지만 점차적으로 위상이 정렬되어 단일 파동 패킷을 생성합니다. 파동은 광속의 약 1/6 속도로 결정 내에서 전파됩니다. 순차적 프레임은 파동이 본질적으로 테라헤르츠 영역의 파장을 갖는 전자기임을 보여줍니다.
그림 3:단일 USP 레이저 펄스가 강유전성 결정의 격자 진동을 자극할 때 테라헤르츠(THz) 파 복사를 시각화하는 STAMP 이미지 시퀀스 [1].
USP 레이저 펄스를 이용한 절제
초단 펄스 레이저피코초 및 펨토초 출력을 갖춘 정밀 미세 가공에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 응용 분야에는 의료 기기부터 스마트폰 부품까지 다양한 드릴링, 스크라이빙 및 마킹 제품이 포함됩니다. 주된 이유는 USP 가공이 더 긴 펄스 레이저로 가능한 것보다 더 높은 정밀도를 제공하기 때문입니다. 또한 주변 발열이 거의 발생하지 않아 더욱 깔끔한 기능을 제공합니다.
이러한 장점은 널리 문서화되어 있지만 실제로 어떻게 발생하는지에 대한 실제 세부 사항을 결정한 사람은 아무도 없습니다. Nakagawa 그룹은 이제 STAMP를 사용하여 이 토론에 고유한 데이터를 가져왔습니다. 그들은 유리 표적에 대한 단일 35fs 레이저 펄스의 절제 작용을 이미지화했습니다.
이 응용프로그램의 경우 그들은 >1 Tfps의 유효 프레임 속도를 위해 2색 STAMP 설정을 구성했습니다. 그림 4에는 이 작업의 여러 이미지 프레임이 포함되어 있습니다. 원래의 2색 프레임에서 전자 밀도 맵을 얻었습니다. 이 데이터를 통해 팀은 절제 레이저 펄스에 의해 방출된 플라즈마 기둥의 크기, 모양, 속도 및 전자 밀도 분포를 매핑할 수 있었습니다.
그림 4:단일 USP 레이저 펄스가 유리를 제거할 때 방출되는 플라즈마 기둥을 시각화하는 일련의 STAMP 이미지[3].
물속에서 충격파 전파
훨씬 느린 시간 척도에서 그룹은 물에 집중된 레이저 펄스에 의해 생성된 충격파를 이미지화하기 위해 광학 회로와 분기 접근 방식을 사용했습니다. Nakagawa는 초음파 및 레이저 출력과 살아있는 조직의 상호 작용이 의료 치료, 영상 및 생명 과학 연구에서 이해하는 데 중요하다고 설명합니다. (그리고 물은 살아있는 조직의 주요 구성 요소입니다.)
그림 5에서 볼 수 있듯이 그들은 충격 파면의 전파를 매핑했습니다. 이미지의 그레이 스케일 대비는 충격파 강도를 나타냅니다. 나카가와 그룹은 현재 STAMP로 포착한 이러한 동적 이벤트를 관찰하여 생물학적 세포와의 충격 상호작용을 규명하는 데 주력하고 있습니다.
그림 5:단일 레이저 펄스에 의해 자극된 물 속 충격파면 전파의 STAMP 이미지 [4].
왜 바카라 카지노 Astrella인가?
나카가와 교수는 다음의 몇 가지 장점을 인용합니다.아스트렐라그것은 그의 STAMP 연구와 완벽하게 일치합니다. 그는 "성능 측면에서 Astrella는 빔 품질이 이미지 품질에 직접적인 영향을 미치기 때문에 중요한 고품질 출력 빔을 제공합니다. Astrella의 넓은 스펙트럼 대역폭은 여러 하위 펄스를 생성하는 작업을 단순화하고 필요할 때 펄스를 최대 35fs까지 압축할 수도 있음을 의미합니다. 높은(7mJ) 펄스 에너지는 출력을 STAMP 펄스(광 손실 포함)로 시간적 및 공간적으로 변조하고 펄스의 일부도 사용하기 때문에 또 다른 중요한 이점입니다. 두 가지 색상 STAMP를 위한 SHG 펄스를 생성하는 에너지는 물론, 우리가 이미지화하려는 이국적인 현상을 자극하기 위해 펄스의 일부를 사용합니다.”
나카가와 교수는 또한 Astrella가 핸즈프리가 가능한 원박스 레이저라는 점을 포함하여 몇 가지 실질적인 이점을 언급합니다. 레이저는 훨씬 더 복잡한 장비 내부의 하나의 구성 요소일 뿐이므로 이러한 작동 단순성은 매우 중요합니다. 그는 "턴키 작업은 STAMP를 사용하는 사람이 이 기술을 완전히 활용하기 위해 레이저 전문가가 될 필요가 없다는 것을 의미합니다. 이는 필요한 출력을 정확하게 얻기 위해 간단한 사용자 인터페이스로 제어할 수 있는 광원일 뿐입니다. 마찬가지로 중요한 점은 Astrella가 서비스나 예정되지 않은 수리 및 업그레이드가 필요 없이 놀라울 정도로 안정적이고 신뢰할 수 있다는 점입니다."
그는 "예, 우리는 이 레이저를 정말 좋아합니다."라고 요약했습니다.
"Astrella는 빔 품질이 이미지 품질에 직접적인 영향을 미치기 때문에 중요한 고품질 출력 빔을 제공합니다. Astrella의 넓은 스펙트럼 대역폭은 여러 하위 펄스를 생성하는 작업을 단순화하고 필요할 때 펄스를 최대 35fs까지 압축할 수 있음을 의미합니다."
– 나카가와 케이이치, 도쿄대학교 조교수요약
나카가와 연구소는 연구를 지원하기 위해 단일 이벤트에 대한 초고속 비디오를 얻는 독특한 방법을 개발했습니다. 그러나 이제는 지속적인 혁신과 운영 단순성 덕분에아스트렐라,또한 유연하고 사용하기 쉬운 기술이 되었습니다. 이는 펨토초에서 나노초까지의 모든 종류의 빠른 동적 이벤트에 대한 과학적 이미징을 수행하는 다른 사람들에게 광범위하게 적용 가능합니다.
참고자료
[1] K. Nakagawa 외, "순차적 시간 제한 전광학 매핑 사진(STAMP)." Nature Photonics 8, 695–700(2014).
[2] T. Saiki 외, "자유 공간에서 스펙트럼적으로 분리된 나노초 펄스열을 생성하기 위한 스펙트럼 회로." CLEO 2020, 온라인, 2020년 5월.
[3] K. Shimada 외, "2색 STAMP를 사용한 초고속 플라즈마 역학의 전자 밀도 이미징." ALPS2021, 온라인, 2021년 4월.
[4] T. Saiki 외, "세포에 대한 충격파 효과를 모니터링하기 위한 피코초 노출 시간을 갖춘 나노초 단발 이미징 시스템." 일본 충격파에 관한 심포지엄, 온라인, 2021년 3월.