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Mille milliards d'images par seconde pour voir la lumière en plein vol

ActualitéClassé sous :physique , laser , caméra ultra rapide

Ce n'est pas la première fois que l'on arrive à photographier des impulsions lumineuses ultracourtes mais la caméra mise au point par des chercheurs du MIT bat les records : elle peut filmer des impulsions laser en vol en prenant mille milliards d'images par seconde.

De gauche à droite, Andreas Velten et Ramesh Raskar devant une bouteille dans laquelle une impulsion lumineuse est prise en plein vol grâce à leur caméra ultrarapide. © M. Scott Brauer

L'imagerie rapide a une longue histoire derrière elle puisqu'on peut la faire naître plus ou moins au cours des années 1940 aux États-Unis. À l'époque, la mise au point de la bombe atomique dans le cadre du projet Manhattan stimule le développement des caméras à miroir rotatif. Dans les années 1950 les premières caméras à balayage de fente (CBF ou streak camera en anglais) voient le jour et elles permettent déjà d'atteindre des résolutions temporelles de quelques dizaines de picosecondes.

Ce type de caméra est donc employé depuis longtemps et on peut citer comme domaine d'utilisation les mesures de l'extrême sur des plasmas chauds. On rencontre notamment ces plasmas dans les recherches sur la fusion contrôlée par confinement inertiel, c'est-à-dire à l'aide du laser.


La CBF ne permet pas de prendre des photographies 2D directement. Elle ne peut suivre la propagation des photons d’une impulsion lumineuse que sur une bande que l'on peut considérer comme 1D. Il faut alors répéter l’opération en décalant les images prises sur une ligne adjacente avec un miroir pour traiter ensuite sur ordinateur l’ensemble des photos et reconstituer une image 2D. Cliquez sur CC et ensuite sur traduire les sous-titres et enfin dans la barre pour pouvoir choisir la traduction en français des commentaires plus complets. Terminez par OK. © Melanie Gonick/YouTube

La propagation d'impulsion laser dans des milieux non linéaires fait donc l'objet d'études depuis longtemps et ce n'est pas la première fois que l'on obtient des images d'impulsions lumineuses prises en plein vol. Toutefois, l'un des chercheurs du MIT Media Lab, Andreas Velten, parle en ces termes de la CBF que lui et ses collègues viennent de développer : « Il n'y a rien dans l'univers capable de prendre des images aussi rapidement que cette caméra ».

Quatre cent quatre-vingts images prises en une nanoseconde

Rappelons que le MIT est l'une des plus célèbres universités de la planète et pas seulement parce que Walter Lewin y enseigne. Plusieurs prix Nobel, dont Richard Feynman, en sont sortis et même si les propos du chercheurs sont quelque peu exagérés, ils donnent la mesure de la performance atteinte. Des impulsions laser femtosecondes peuvent en effet être imagées à la vitesse d'environ mille milliards d'images à la seconde avec la CBF équipée de capteur CCD de mise au point.


Sur cette vidéo on voit clairement, comme au ralenti, une impulsion de lumière laser traverser une bouteille remplie d'eau. La durée réelle du trajet est d'une nanoseconde environ. Entre deux images, l'impulsion progresse de moins d'un demi-millimètre. © Media Lab’s Camera Culture group/YouTube

La CBF construite par les chercheurs ne permet pas de prendre des photographies normales directement. Elle ne peut suivre la propagation des photons d'une impulsion lumineuse produite avec un laser saphir/titane que selon une seule dimension. Il faut alors répéter l'opération en décalant les images prises sur une ligne adjacente pour traiter ensuite, à l'ordinateur, l'ensemble des photos prises pour reconstituer une image en deux dimensions, comme l'explique le chercheur sur la première vidéo.

La propagation de l'impulsion laser dans l'eau contenue dans une bouteille que l'on voit dans la seconde vidéo est donc en réalité la résultante d'un grand nombre d'impulsions identiques enregistrées par cette CBF qui fonctionne quarante milliards de fois plus vite qu'une caméra de télévision.

Ce genre de caméra devrait avoir des applications pour l'imagerie médicale, la chimie et la physique des matériaux.

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