Repousser les limites de l'imagerie optique en traitant des trillions d'images par seconde

L'équipe du professeur Jinyang Liang fait progresser la vitesse d'imagerie grâce à un nouveau système de caméra ultrarapide.

VARENNES, QC, le 25 mars 2024 /CNW/ - Atteindre des records de vitesse n'est pas destiné qu'aux sportifs. Les chercheurs aussi peuvent réaliser ce genre d'exploits grâce à leurs découvertes. C'est le cas du professeur à l'Institut national de la recherche scientifique (INRS) , Jinyang Liang , et de son équipe, dont lesrésultats  viennent d'être publiés dans Nature Communications.

Le groupe, basé au Centre Énergie Matériaux Télécommunications  de l'INRS, a développé un nouveau système de caméra ultrarapide qui peut capter avec une précision étonnante jusqu'à 156,3 trillions d'images par seconde. Pour la première fois, l'imagerie optique 2-D en une seule exposition de la démagnétisation ultrarapide devient possible. Appelé SCARF (pour swept-coded aperture real-time femtophotography ou femtophotographie en temps réel à ouverture codée et balayée), ce dispositif inédit capture l'absorption transitoire dans un semi-conducteur et la démagnétisation ultrarapide d'un alliage métallique. Cette nouvelle manière de faire contribuera à repousser les connaissances dans de très nombreux champs d'études qui touchent autant la physique moderne, la biologie et la chimie que la science des matériaux et l'ingénierie.

Le professeur Liang est reconnu en tant que précurseur de l'imagerie ultrarapide à l'échelle planétaire. Déjà, en 2018, il était à la tête d'une percée majeure dans le domaine, laquelle mettait la table pour le développement de SCARF.

En effet, jusqu'alors, les systèmes de caméra ultrarapides étaient surtout basés sur une approche impliquant plusieurs images capturées séquentiellement une par une. Avec ces méthodes, les données sont acquises par des mesures brèves et répétées à de multiples reprises, puis mises bout à bout pour générer un film qui reproduit le mouvement observé.

« Cependant, cette manière de faire ne peut s'appliquer qu'aux échantillons inertes ou aux phénomènes qui se reproduisent dans le temps de façon exacte. Les échantillons plus fragiles, ceux qui ne se reproduisent pas à répétition ou dont la vitesse est ultrarapide ne peuvent pas être observés avec cette méthode. Par exemple, étudier des phénomènes comme l'ablation laser femtosecondes, comme l'interaction par ondes de choc avec des cellules vivantes ou comme le chaos optique, n'est pas possible », précise Jinyang Liang.

Or, le premier outil développé par l'équipe du professeur Liang répondait à ce manque. Leur système de photographie ultrarapide compressée appelé T-CUP (compressed ultrafast photography) se basait sur une caméra à balayage femtoseconde et à image continue pour faire l'acquisition de dix billions (10¹³) d'images par seconde. Il s'agissait d'un premier pas fulgurant dans l'imagerie ultrarapide à impulsion unique en temps réel.

En revanche, certains défis persistaient. « De nombreux systèmes basés sur la photographie ultrarapide compressée doivent composer avec une dégradation de la qualité des données ainsi qu'une profondeur d'image réduite. Ces limitations sont attribuables au principe de fonctionnement qui nécessite un découpage simultané de la scène et de l'ouverture codée », explique le stagiaire postdoctoral et copremier auteur de l'étude, Miguel Marquez.

Or, SCARF surmonte ces défis. Sa modalité d'imagerie permet un balayage tout optique ultrarapide d'une ouverture codée statique pendant l'enregistrement d'un phénomène ultrarapide. En résulte un codage de séquence complète jusqu'à 156,3 THz à chaque pixel d'une caméra basée sur un dispositif à transfert de charges (charge coupled device ou CCD). Ces résultats peuvent être obtenus en une seule exposition à des fréquences d'images et à des échelles spatiales réglables en modes de réflexion et de transmission.

Ainsi, avec l'aide de SCARF, l'observation de phénomènes uniques non répétables, ultrarapides ou difficilement reproduisibles devient possible, notamment la mécanique des ondes de choc dans les cellules vivantes ou dans la matière. Ces avancées peuvent éventuellement servir à développer de meilleurs produits pharmaceutiques et traitements médicaux ainsi qu'améliorer les propriétés mécaniques des matériaux.

De plus, SCARF promet des retombées économiques très intéressantes. Déjà, deux compagnies, soit Axis Photonique et Few-Cycle œuvrent en collaboration avec l'équipe du professeur Liang pour fabriquer une version commercialisable de leur découverte qui, par ailleurs, fait l'objet d'un brevet. C'est une belle occasion pour le Québec de renforcer sa position de leader, déjà enviable, dans le domaine de la photonique.

Ce travail, a été réalisé dans le Laboratoire de Sources Femtosecondes  (ou Advanced Laser Light Source, ALLS) en collaboration avec professeur François Légaré , directeur du Centre Énergie Matériaux et Télécommunications de l'INRS. Ces recherches sont le fruit d'une collaboration internationale avec Michel Hehn, Stéphane Mangin et Grégory Malinowski de l'Institut Jean Lamour de l'Université de Lorraine (France) et Zhengyan Li de l'Université de science et de technologie de Huazhong (Chine). 

Liu, J., Marquez, M., Lai, Y. et al. Swept coded aperture real-time femtophotography. Nat Commun 15, 1589 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45820-z 

Ces travaux de recherche ont été financés par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada , le Programme des chaires de recherche du Canada , la Fondation canadienne pour l'innovation  et le ministère de l'Économie et de l'Innovation du Québec, la Société canadienne du cancer , le fonds Nouvelles frontières en recherche du gouvernement du Canada, ainsi que le Fonds de recherche du Québec-Nature et Technologies  et le Fonds de recherche du Québec -Santé .

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