Des chercheurs de l’INRS conçoivent la caméra UV la plus rapide au monde

Publié par Audrey-Maude Vézina

7 octobre 2020

( mise à jour : 9 octobre 2020 )

L’équipe du professeur Jinyang Liang, spécialiste en imagerie ultrarapide à l’Institut national de la recherche scientifique (INRS), en collaboration avec une équipe internationale de chercheurs, a mis au point une caméra, la plus rapide au monde, capable d’imager des photons dans l’ultraviolet (UV) en temps réel.

Cette recherche originale fait la couverture du 10e numéro du journal Laser & Photonics Reviews. Imaginez pouvoir photographier des événements extrêmement rapides, de l’ordre de la picoseconde (11 zéros après la virgule !). La photographie ultrarapide compressée (Compressed Ultrafast Photography (CUP)) capte l’intégralité du processus en temps réel dans une résolution inégalée, et ce, en un clic. Toute l’information spatiale et temporelle est d’abord compressée dans une image puis, à l’aide d’un algorithme de reconstruction, elle prend la forme d’une vidéo.


Développer un instrument compact pour les UV

Des chercheurs de l’INRS conçoivent la caméra UV la plus rapide au monde
Illustration artistique de l’UV-CUP qui a fait la couverture du 10e numéro de la revue Laser & Photonics Reviews.
Illustration : Wiley-VCH GmbH

Jusqu’à maintenant, cette technique était limitée aux longueurs d’onde visible et proche infrarouge, et donc à une catégorie spécifique d’événements physiques. « De nombreux phénomènes qui se produisent sur des périodes très courtes surviennent également à une très petite échelle spatiale. Pour les voir, il faut détecter des longueurs d’onde plus courtes. Atteindre les UV ou même les rayons X est une étape remarquable vers cet objectif », souligne Jinyang Liang, qui a dirigé l’étude.

Pour observer cette nouvelle gamme de longueurs d’onde et faire évoluer cette technique vers un produit simple à utiliser, les chercheurs ont conçu, dans le cadre d’une collaboration université-industrie avec Christian-Yves Côté, d’Axis Photonique Inc., un système UV-CUP compact. Ce nouveau système comporte une photocathode à motifs qui est utilisée pour détecter et coder simultanément cette « lumière noire ». « À la manière d’une caméra standard, notre technologie est passive. C’est-à-dire qu’elle ne produit pas la lumière; elle la reçoit. Il fallait donc que notre photocathode soit sensible aux photons émis dans les UV. Cette approche fait de notre technique un système autonome qui peut être facilement intégré dans diverses plateformes expérimentales », précise le chercheur qui travaille au développement de la CUP depuis son postdoctorat.

Pour tester cette technologie, il a collaboré avec François Légaré, également professeur à l’INRS, afin de générer et d’imager des impulsions UV au Laboratoire de sources femtosecondes, aussi connu sous le nom d’Advanced Laser Light Source (ALLS).

« L’excellent environnement de recherche du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS est très utile. C’est tellement plus efficace lorsque toutes les compétences nécessaires à la conception, à la fabrication et à la caractérisation sont réunies dans un même bâtiment. »

Jinyang Liang


Diviser le problème de la reconstruction

Des chercheurs de l’INRS conçoivent la caméra UV la plus rapide au monde
Système UV-CUP compact.
Photo : Jinyang Liang

« Prendre la photo n’est que la première moitié du travail, rappelle Jinyang Liang. Il faut aussi la reconstruire. » Pour ce faire, les chercheurs ont mis au point un nouvel algorithme, plus efficace que les algorithmes standard, par l’entremise de leur collaboration avec l’Université de Boston. La force de cet algorithme vient de sa division des tâches. « Plutôt que de résoudre le problème de la reconstruction en un bloc, l’algorithme le divise en problèmes plus petits qu’il traite individuellement. C’est comme essayer de manger un gâteau; au lieu de le finir en une seule bouchée, vous l’appréciez beaucoup plus une petite bouchée à la fois », explique le professeur Liang.

Grâce aux innovations matérielles et logicielles, l’UV-CUP a une vitesse d’imagerie de 0,5 trillion d’images par seconde et produit des vidéos de 1500 images en grand format. En tant qu’imageur à vitesse de la lumière, le système voit les photons UV en temps réel.

« Cela me fascine toujours quand on peut observer l’objet le plus rapide de l’univers avec autant de détails. »

Yingming Lai, étudiant à la maîtrise à l’INRS et premier auteur de l’étude

Même en étant la plus rapide au monde, cette caméra peut encore être améliorée. Par exemple, comme les photocathodes utilisées ont une efficacité limitée, les chercheurs veulent explorer d’autres types de matériaux. Sur le plan de la reconstruction, Jinyang Liang soutient que l’algorithme en a largement amélioré la qualité, mais que l’appareil prend encore un temps assez long pour y arriver. Pour augmenter sa vitesse, il collabore avec le professeur Tiago Falk, de l’INRS, sur un algorithme amélioré grâce à l’intelligence artificielle.

Pour la suite du projet de recherche, la caméra sera envoyée au laboratoire de recherche Synchrotron SOLEIL, en France, afin de permettre la visualisation de divers phénomènes physiques. Lors de ces prochains tests, il pourrait être possible de lui faire capter la génération de plasma par laser, un phénomène primordial pour déduire certaines propriétés des matériaux, et la fluorescence UV, importante en imagerie médicale pour repérer des biomarqueurs liés à des maladies.


À propos de l’étude

Les chercheurs ont reçu un soutien financier du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), de la Fondation canadienne pour l’innovation (FCI), du Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies (FRQNT), du Fonds de recherche du Québec – Santé (FRQS) et de la National Science Foundation (NSF).