📸 Las cámaras de alta velocidad llevan mucho tiempo obligando a elegir. Si los fotogramas van muy juntos, se ve con detalle lo que pasa en un instante, pero la grabación se acaba enseguida. Si van separados, se graba durante más tiempo, pero el momento clave se escapa entre dos fotogramas. Un equipo de la Universidad de Tokio optó por cambiar la separación a mitad de la toma y, con 11 fotogramas, enlazó en una sola captura desde 100 femtosegundos hasta 10 nanosegundos: unos 5 órdenes de magnitud de tiempo.

Imagen conceptual de la fotografía ultrarrápida logarítmica: la separación entre fotogramas crece de 100 femtosegundos a 10 nanosegundos

Fuente: Escuela de Posgrado de Ingeniería de la Universidad de Tokio

¿Cuánto dura un instante de 100 femtosegundos?

Un femtosegundo es la milbillonésima parte de un segundo; un picosegundo, la billonésima, y un nanosegundo, la milmillonésima. Medido en distancia, en 100 femtosegundos la luz recorre unos 0,03 milímetros, menos que el grosor de un pelo normal. En 10 nanosegundos avanza unos 3 metros.

Entre una cifra y otra hay 100.000 veces de diferencia. Por poner una comparación: si 100 femtosegundos se estiraran hasta durar un segundo, 10 nanosegundos durarían unas 28 horas.

La costumbre de grabar a intervalos iguales

Normalmente, los fotogramas de una cámara van a intervalos iguales. Pasa con una videocámara doméstica y con la mayoría de las cámaras ultrarrápidas de investigación. Además, estas últimas solo sacan un número limitado de fotogramas por toma, así que, con intervalos iguales, no pueden tener a la vez detalle y una grabación larga.

Se nota especialmente cuando un láser incide sobre un material. Justo después del impacto los cambios son rapidísimos, y de ahí se pasa al plasma (un estado en el que los electrones se han soltado de sus átomos), a las ondas de choque y a la deformación y dispersión del material, cada etapa más lenta que la anterior. Elija el intervalo que elija, algo se pierde.

Keitaro Shimada, investigador del proyecto durante el estudio, el profesor asociado Keiichi Nakagawa y sus colegas de la Escuela de Posgrado de Ingeniería de la Universidad de Tokio se fijaron en otra cosa: en qué momentos conviene gastar los pocos fotogramas disponibles. Dejaron de repartirlos por igual. Los concentran al principio, cuando todo cambia más deprisa, y los separan cada vez más después. El método se llama fotografía ultrarrápida logarítmica. La imagen conceptual de la universidad marca el tiempo en saltos de diez en diez: 100 femtosegundos, 1 picosegundo, 10 picosegundos y así sucesivamente, igual que una escala logarítmica.

Una comparación cotidiana: para documentar una semilla recién brotada, uno haría una foto cada hora el primer día, luego una al día y después una por semana. Pero hacerlo en una cámara cuyo obturador es, en la práctica, un destello de luz láser exigía una óptica nueva.

Cada color de luz, con su propio rodeo

La técnica óptica que desarrolló el equipo se llama BRIDGE, siglas en inglés de generación de retardos individuales por banda. La idea de desplazar el momento de llegada según el color viene de un método que el grupo de Nakagawa publicó en 2014 (del que se habla más abajo). Un pulso láser brevísimo se divide por colores, y cada color llega al objeto en un momento ligeramente distinto. El sensor guarda una imagen aparte para cada color, de modo que se obtienen de golpe imágenes tomadas en instantes diferentes. Cada color se convierte en un fotograma.

BRIDGE fija por separado la distancia que recorre cada color. Cuanto más largo el rodeo, más tarde llega. Como cada trayecto se ajusta por su cuenta, también se puede decidir el momento de cada fotograma, uno por uno. Según el anuncio, así la separación entre fotogramas puede fijarse con flexibilidad entre 100 femtosegundos y 10 nanosegundos.

Lo que mostraron los 11 fotogramas

En la demostración, el equipo disparó pulsos láser de femtosegundos sobre vidrio e hidroxiapatita, el componente principal de huesos y dientes. Cuando un láser arranca en un instante material de la superficie de un sólido, el fenómeno se llama ablación láser.

Justo después del pulso aparecen cambios rápidos, como la formación de plasma; luego llegan las ondas de choque y la eyección de material. En lugar de repartir todo eso en experimentos separados, el equipo lo observó como una secuencia continua de 11 imágenes obtenidas de un solo disparo. Con el paso del tiempo, las imágenes muestran además que el vidrio y la hidroxiapatita se dispersan de forma distinta. También se registró en 11 fotogramas la formación de plasma y ondas de choque en agua.

Los materiales varían de una muestra a otra, y algunos cambios ocurren al azar. Si un suceso no se puede repetir con exactitud, dividir la observación en varios experimentos supone que los primeros fotogramas y los últimos pueden estar mostrando sucesos distintos. El comunicado señala que el método es especialmente útil para lo que es difícil de reproducir y, entre sus aplicaciones, menciona el procesado láser, la respuesta mecánica de los tejidos vivos y el estudio del plasma y las ondas de choque. El trabajo se publicó en la revista Optica el 25 de septiembre de 2026, y la Universidad de Tokio y la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JST) lo anunciaron el 1 de octubre de 2026. La investigación contó con el apoyo del programa ACT-X de la JST y del Programa Insignia de Salto Cuántico (Q-LEAP) del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón (MEXT).

De la carrera por la velocidad al reparto de fotogramas

En Japón, las cámaras se miden por fotogramas por segundo desde hace un siglo. Toyotaro Suhara, de la Universidad Imperial de Tokio, construyó una cámara de espejo giratorio que alcanzó 20.000 fotogramas por segundo en 1926 y 45.000 con el modelo siguiente. En 2026, la Sociedad Japonesa de Ingenieros Mecánicos la incluyó en su lista de patrimonio de la ingeniería mecánica (artículo relacionado).

En 2014, Nakagawa y sus colegas presentaron en Nature Photonics un método llamado STAMP, con ráfagas de unos 4,4 billones de fotogramas por segundo. La técnica habitual hasta entonces, el método de bombeo y sonda, provoca el mismo suceso una y otra vez, desplaza un poco el momento de la toma en cada ronda y saca un fotograma por repetición. No sirve para lo que no se puede repetir. STAMP captaba la ráfaga en una sola toma, pero el primer aparato lograba 6 fotogramas.

Ese mismo 2014, el profesor Lihong Wang y su equipo, de la Universidad Washington en San Luis (Estados Unidos), describieron en Nature la fotografía ultrarrápida comprimida (CUP). Reconstruye las imágenes mediante cálculo y llegó a 100.000 millones de fotogramas por segundo y hasta 350 fotogramas. Su punto fuerte era la cantidad de fotogramas por toma.

En 2023, el grupo de Tokio publicó en Science Advances un trabajo que filmó el procesado láser a través de varias escalas de tiempo combinando tres separaciones: 25 picosegundos, 2,0 nanosegundos y 1 milisegundo. BRIDGE da un paso más y fija el momento de cada fotograma, uno por uno, dentro de un solo sistema óptico. Shimada, primer autor del artículo, es ahora investigador posdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en Estados Unidos.

En los laboratorios y fábricas de tu país, ¿qué proceso te gustaría ver, desde su primer instante hasta lo que viene después, en una sola toma?

Referencias