A high-speed anamorphic pupil-conjugate slit spectrograph for rapid, self-luminous sources

Lorsque les scientifiques étudient des phénomènes qui brûlent, explosent ou apparaissent brièvement sous forme d'éclats, ils sont confrontés à un paradoxement frustrant. Pour comprendre la chimie d'un événement changeant rapidement, comme un front de flamme traversant une surface ou un fil explosant dans le vide, ils doivent décomposer la lumière qu'il émet en un arc-en-ciel de couleurs. Ce processus, appelé spectroscopie, révèle exactement quels éléments chimiques sont présents. Cependant, les outils traditionnels pour cette tâche reposent sur une hypothèse simple : que la source lumineuse reste immobile. Si la source bouge ne serait-ce qu'un peu pendant que l'instrument l'observe, l'arc-en-ciel résultant s'étire et se déplace, rendant les données illisibles ou trompeuses. Pour les événements qui se produisent trop vite pour être arrêtés et recalibrés, ou pour les explosions qui ne peuvent se produire qu'une seule fois, ce mouvement crée un flou de confusion où les véritables signaux chimiques se perdent dans le bruit.

Une équipe de chercheurs de Vision Research dans le New Jersey a conçu un nouveau type de système de caméra qui résout ce problème en modifiant l'endroit où la lumière entre dans la machine. Au lieu de verrouiller le foyer de l'instrument sur la position de l'objet, ils ont conçu le dispositif de sorte que la position de la source lumineuse n'ait aucune importance. En plaçant un diaphragme interne spécifique et une lentille cylindrique spéciale dans un arrangement précis, ils ont assuré que l'angle de la lumière entrante, plutôt que sa position, détermine où les couleurs atterrissent sur le capteur. Cela signifie que même si un matériau en feu saute, tourne ou s'étend de manière sauvage, l'empreinte chimique qu'il produit reste parfaitement stable sur l'écran de la caméra. Le résultat est un outil capable de capturer la véritable chimie d'événements chaotiques et uniques sans que les données ne s'éloignent.

Le cœur de cette innovation est un changement dans la façon dont l'instrument gère la relation entre l'espace et la couleur. Dans un spectrographe standard, la fente — l'ouverture étroite qui laisse passer la lumière — est une image de la source. Si la source bouge, l'image de la fente bouge, et les couleurs se déplacent sur le détecteur. Les chercheurs ont réalisé que s'ils pouvaient plutôt faire de la fente l'image du « pupille », ou de l'ouverture qui contrôle l'angle de la lumière, la position de la source deviendrait non pertinente. Ils ont construit un système utilisant des lentilles de caméra standard et une caméra haute vitesse pour créer un chemin où la lumière passe par un relais 4f, un terme décrivant un arrangement spécifique de lentilles qui maintient l'angle de la lumière constant. À l'intérieur de ce relais, ils ont placé un iris qui sert de diaphragme principal au système. Ensuite, ils ont ajouté une lentille cylindrique, qui focalise la lumière dans une seule direction, pour placer la fente exactement là où l'angle de la lumière est encodé, et non sa position.

Pour prouver que ce concept fonctionne, l'équipe a d'abord testé l'instrument avec une source de lumière simple, une lampe de poche, se déplaçant d'avant en arrière à travers leur champ de vision. Lorsqu'ils ont utilisé une configuration traditionnelle où la lentille frontale servait de diaphragme, l'image spectrale errait considérablement à mesure que la lumière se déplaçait, décalant de plus d'un millimètre sur le capteur. Cela aurait rendu impossible le suivi de changements chimiques rapides. Cependant, lorsqu'ils ont utilisé leur nouveau design, avec l'iris interne servant de diaphragme, l'image spectrale est restée verrouillée en place. Même lorsque la source lumineuse balayait toute la vue utilisable, les couleurs ne se sont décalées que de moins d'un millième de millimètre. Cette stabilité est restée vraie quel que soit l'objectif de caméra utilisé pour observer la source, prouvrant que l'instrument est véritablement agnostique au choix de l'optique avant.

Une fois la stabilité confirmée, les chercheurs se sont penchés sur la caractérisation de la précision de leur nouvel outil. Ils ont utilisé une lampe à décharge d'hélium pour cartographier exactement quelle colonne du capteur de la caméra correspondait à quelle longueur d'onde de lumière. En ajustant une courbe lisse aux raies connues de l'hélium, ils ont obtenu une précision de calibration avec une erreur résiduelle de seulement 0,12 nanomètre. Ils ont vérifié cela en testant une lampe de néon sans changer la calibration, trouvant que les raies de néon correspondaient à leurs prédictions avec une erreur de 0,13 nanomètre. Ils ont également mesuré la netteté de la vision de l'instrument, connue sous le nom de résolution spectrale. En ajustant soigneusement la largeur de la fente, ils ont trouvé le réglage optimal où l'instrument pouvait distinguer deux couleurs séparées de 0,92 nanomètre, un niveau de détail suffisant pour séparer de nombreuses signatures chimiques importantes.

Le véritable test est venu lorsqu'ils ont appliqué le spectrographe à un événement réel et chaotique : la combustion de nitrocellulose. Ils ont placé une bande du matériau à trois mètres de distance et l'ont allumée. Tandis que le front de flamme traversait la bande, s'étendant et se déplaçant de manière imprévisible, la caméra a capturé la lumière à une fréquence de 10 000 images par seconde, chaque image exposant le capteur pendant seulement 99 microsecondes. Parce que l'instrument est immunisé contre le mouvement de la flamme, les raies spectrales sont restées stables. L'équipe a pu identifier cinq espèces chimiques distinctes dans le feu : le sodium, le potassium, le calcium, le rubidium et une molécule appelée hydroxyde de calcium. Ils ont suivi la raie du sodium tout au long de l'événement et, malgré le mouvement violent de la flamme, la position de la raie sur le capteur n'a dérivé que de 0,06 nanomètre en moyenne. Les minuscules variations qui se sont produites n'étaient pas dues à l'incapacité de l'instrument à suivre le mouvement, mais plutôt à la physique de la flamme elle-même, où les couches de gaz plus froides absorbent et réémettent la lumière d'une manière qui décale légèrement le centre apparent de la raie.

Ce travail démontre qu'il est possible de construire un spectrographe haute vitesse qui ne nécessite pas que la source soit stationnaire. En découplant l'enregistrement spectral de l'orientation de la caméra, les chercheurs ont créé un outil capable d'observer des sources auto-lumineuses rapides sans nécessvoir de recalibrage en temps réel ou de mélange complexe par fibre optique. Le dispositif, construit à partir d'optiques de catalogue standard et d'une caméra haute vitesse, maintient une position spectrale fixe même lorsque la source se déplace, éliminant les décalages non physiques qui compliquent habituellement de telles mesures. Bien que la conception sacrifie une certaine capacité à voir les détails spatiaux fins dans la direction de la dispersion des couleurs, elle gagne la capacité de voir la véritable chimie des événements en mouvement. Les chercheurs suggèrent que cette approche est idéalement adaptée aux futures études de fils explosifs et de plasmas pulsés, où la source s'étend rapidement et où le besoin de fréquences d'images de l'ordre de centaines de milliers ou de millions d'images par seconde est critique. Pour l'instant, l'instrument constitue la preuve qu'avec le bon arrangement optique, le chaos d'une flamme en mouvement peut être dompté en un enregistrement clair et stable de sa composition chimique.