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

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.
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.

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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 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 ».

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.

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.

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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.