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

Quando gli scienziati studiano fenomeni che bruciano, esplodono o appaiono dal nulla per una frazione di secondo, si trovano di fronte a un frustrante paradosso. Per comprendere la chimica di un evento che cambia rapidamente, come un fronte di fiamma che corre su una superficie o un filo che esplode nel vuoto, è necessario scomporre la luce emessa in un arcobaleno di colori. Questo processo, chiamato spettroscopia, rivela esattamente quali elementi chimici sono presenti. Tuttavia, gli strumenti tradizionali per questo compito sono costruiti su un presupposto semplice: che la sorgente luminosa rimanga ferma. Se la sorgente si muove anche solo leggermente mentre lo strumento la osserva, l'arcobaleno risultante si sfuoca e si sposta, rendendo i dati illeggibili o fuorvianti. Per eventi che accadono troppo velocemente per essere fermati e ricalibrati, o per esplosioni che possono avvenire una sola volta, questo movimento crea una confusione sfocata dove i veri segnali chimici si perdono nel rumore.

Un team di ricercatori della Vision Research in New Jersey ha costruito un nuovo tipo di sistema di telecamere che risolve questo problema cambiando il modo in cui la luce entra nella macchina. Invece di bloccare il fuoco dello strumento sulla posizione dell'oggetto, hanno progettato il dispositivo in modo che la posizione della sorgente luminosa non conti affatto. Posizionando uno specifico diaframma interno e una speciale lente cilindrica in una disposizione precisa, hanno garantito che l'angolo della luce in entrata, piuttosto che la sua posizione, determini dove i colori atterrano sul sensore. Ciò significa che anche se un pezzo di materiale in combustione salta, ruota o si espande selvaggiamente, l'impronta chimica che produce rimane perfettamente stabile sullo schermo della telecamera. Il risultato è uno strumento in grado di catturare la vera chimica di eventi caotici e unici senza che i dati vadano dispersi.

Il cuore di questa innovazione è un cambiamento nel modo in cui lo strumento gestisce la relazione tra spazio e colore. In uno spettrografo standard, la fenditura — l'apertura stretta che lascia entrare la luce — è l'immagine della sorgente. Se la sorgente si muove, l'immagine della fenditura si muove, e i colori si spostano sul rilevatore. I ricercatori si sono resi conto che, se avessero potuto invece rendere la fenditura l'immagine del "pupilla", ovvero l'apertura che controlla l'angolo della luce, la posizione della sorg parte sarebbe diventata irrilevante. Hanno costruito un sistema utilizzando lenti per fotocamere standard e una telecamera ad alta velocità per creare un percorso in cui la luce attraversa un relay 4f, un termine che descrive una specifica disposizione di lenti che mantiene costante l'angolo della luce. All'interno di questo relay, hanno inserito un iris che funge da stop principale del sistema. Successivamente, hanno aggiunto una lente cilindrica, che focalizza la luce in una sola direzione, per posizionare la fenditura esattamente dove l'angolo della luce è codificato, non la sua posizione.

Per dimostrare che questo concetto funziona, il team ha prima testato lo strumento con una semplice sorgente luminosa, una torcia, che si muoveva avanti e indietro attraverso il loro campo visivo. Quando hanno utilizzato una configurazione tradizionale in cui la lente anteriore fungeva da stop, l'immagine spettrale oscillava significativamente mentre la luce si muoveva, spostandosi di più di un millimetro sul sensore. Ciò avrebbe reso impossibile tracciare rapidi cambiamenti chimici. Tuttavia, quando sono passati al loro nuovo design, con l'iris interno che fungeva da stop, l'immagine spettrale è rimasta bloccata in posizione. Anche quando la sorgente luminosa ha attraversato l'intero campo visivo utilizzabile, i colori si sono spostati di meno di un millesimo di millimetro. Questa stabilità è rimasta costante indipendentemente dalla lente della fotocamera utilizzata per osservare la sorgente, dimostrando che lo strumento è realmente agnostico rispetto alla scelta della pre-ottica.

Con la stabilità confermata, i ricercatori si sono concentrati sulla caratterizzazione della precisione del loro nuovo strumento. Hanno utilizzato una lampada a scarica di elio per mappare esattamente quale colonna sul sensore della fotocamera corrispondeva a quale lunghezza d'onda della luce. Adattando una curva fluida alle linee note dell'elio, hanno ottenuto un'accuratezza di calibrazione con un errore residuo di soli 0,12 nanometri. Hanno verificato questo testando una lampada al neon senza cambiare la calibrazione, scoprendo che le linee del neon corrispondevano alle loro previsioni con un errore di 0,13 nanometri. Hanno inoltre misurato la nitidezza della visione dello strumento, nota come risoluzione spettrale. Regolando attentamente la larghezza della fenditura, hanno individuato l'impostazione ottimale in cui lo strumento poteva distinguere due colori distanti 0,92 nanometri, un livello di dettaglio sufficiente per separare molte importanti firme chimiche.

La vera prova è arrivata quando hanno applicato lo spettrografo a un evento reale e caotico: la combustione della nitrocellulosa. Hanno posizionato una striscia del materiale a tre metri di distanza e l'hanno accesa. Mentre il fronte della fiamma correva lungo la striscia, espandendosi e muovendosi in modo imprevedibile, la telecamera ha catturato la luce a una velocità di 10.000 fotogrammi al secondo, con ogni fotogramma che esponeva il sensore per soli 99 microsecondi. Poiché lo strumento era immune al movimento della fiamma, le linee spettrali sono rimaste stabili. Il team è stato in grado di identificare cinque specie chimiche distinte nel fuoco: sodio, potassio, calcio, rubidio e una molecola chiamata idrossido di calcio. Hanno tracciato la linea del sodio durante l'intero evento e, nonostante il movimento violento della fiamma, la posizione della linea sul sensore è variata in media di soli 0,06 nanometri. Le minuscole variazioni che si sono verificate non erano dovute al fallimento dello strumento nel tracciare il movimento, ma piuttosto alla fisica della fiamma, dove gli strati esterni più fredni del gas assorbivano e riemettevano la luce in un modo che spostava leggermente il centro apparente della linea.

Questo lavoro dimostra che è possibile costruire uno spettrografo ad alta velocità che non richiede che la sorgente sia stazionaria. Decoupling (disaccoppiando) la registrazione spettrale dal puntamento della telecamera, i ricercatori hanno creato uno strumento in grado di osservare sorgenti luminose veloci senza la necessità di ricalibrazioni in tempo reale o complessi sistemi di scrambling a fibra ottica. Il dispositivo, costruito con ottiche standard da catalogo e una telecamera ad alta velocità, mantiene una posizione spettrale fissa anche quando la sorgente si muove, eliminando gli spostamenti non fisici che solitamente affliggono tali misurazioni. Sebbene il design sacrifichi una certa capacità di vedere dettagli spaziali fini nella direzione della diffusione del colore, guadagna la capacità di vedere la vera chimica degli eventi in movimento. I ricercatori suggeriscono che questo approccio sia ideale per studi futuri su fili esplodenti e plasmi impulsivi, dove la sorgente si espande rapidamente e la necessità di frame rate nell'ordine di centinaia di migliaia o milioni di fotogrammi al secondo è critica. Per ora, lo strumento si pone come una prova che, con la giusta disposizione ottica, il caos di una fiamma in movimento può essere domato in un registro chiaro e costante della sua composizione chimica.