Estudo de prova de conceito demonstra imagens fantasma temporais computacionais de infravermelho médio

A imagem fantasma no domínio do tempo permite reconstruir objetos temporais rápidos usando um fotodetector lento. A técnica envolve correlacionar padrões de intensidade temporal de sondagem aleatórios ou pré-programados com o sinal integrado medido após a modulação pelo objeto temporal. No entanto, a implementação da imagem fantasma temporal necessita de detectores ou moduladores ultrarrápidos para medir ou pré-programar os padrões de intensidade de sondagem, que não estão disponíveis em todas as regiões espectrais, especialmente na região do infravermelho médio.

Em um novo artigo publicado em Luz: Ciência e Aplicaçãouma equipe de cientistas, liderada pelo Prof. Houkun Liang da Universidade de Sichuan, China e Prof. Goëry Genty da Universidade de Tampere, Finlândia, e colaboradores desenvolveram um esquema de imagens fantasmas temporais (TGI) de conversão descendente de frequência que permite estender o regime de operação para regiões de comprimentos de onda arbitrários onde moduladores e detectores rápidos não estão disponíveis. A abordagem modula um sinal com padrões de intensidade temporal no infravermelho próximo e transfere os padrões para um idler por meio da geração de frequência de diferença em um cristal não linear em um comprimento de onda onde o objeto temporal pode ser recuperado.

Como prova de conceito, cientistas demonstraram uma imagem fantasma temporal computacional no infravermelho médio com comprimento de onda operacional que pode ser ajustado de 3,2 a 4,3 μm. O esquema é flexível e pode ser estendido para outros regimes. Os resultados introduzem novas possibilidades para imagens de sonda de bomba sem varredura e o estudo de dinâmica ultrarrápida em regiões espectrais onde a modulação ou detecção ultrarrápida é desafiadora, como as regiões do infravermelho médio e THz.

Esses cientistas resumem o princípio operacional da imagem fantasma temporal de infravermelho médio, dizendo: “A ausência de instrumentação adequada, como moduladores eletro-ópticos ultrarrápidos de infravermelho médio para pré-programar padrões temporais em fontes de luz de infravermelho médio, tem sido um gargalo na implementação direta de TGI computacional no infravermelho médio. No novo esquema proposto, em vez de pré-programar diretamente padrões temporais em comprimentos de onda de infravermelho médio, modulamos padrões temporais pré-programados em comprimentos de onda de infravermelho próximo usando um modulador de telecomunicações convencional e, subsequentemente, esses padrões modulados são transferidos para um idler de infravermelho médio por meio da geração de frequência de diferença usando uma fonte de luz de bomba de infravermelho próximo de onda contínua temporalmente estável.

“A ampla disponibilidade de lasers ajustáveis ​​no infravermelho próximo permite uma operação flexível e versátil do esquema de TGI de downconversion, permitindo estender o TGI para regimes de comprimento de onda onde há uma falta de detectores e moduladores rápidos. Usando essa abordagem, demonstramos experimentalmente o TGI computacional na faixa de comprimento de onda de 3,2 a 4,3 μm. Além disso, padrões temporais ortogonais podem ser usados ​​no TGI de downconversion computacional para reduzir o número de medições de sondagem distintas.

“A técnica apresentada pode fornecer novas possibilidades para o estudo da dinâmica ultrarrápida na região espectral do infravermelho médio e comunicações ópticas de espaço livre de alta velocidade em janelas de transmissão atmosférica, mesmo na presença de turbulência atmosférica. Enfatizamos que o conceito de imagem fantasma de conversão descendente de frequência é genérico e também pode ser aplicado nos domínios espacial e espectral, o que pode abrir um novo caminho para imagens e espectroscopia de pixel único nas regiões do infravermelho médio e THz.”