Самая быстрая фотокамера в мире делает 10 триллионов кадров в секунду
Что происходит, если некая технология настолько производительна, что нам не просто её даже охарактеризовать? Например, в INRS (исследовательское подразделение Университета Квебека) работают сверхбыстрые лазеры, длительность импульса которых находится в фемтосекундном диапазоне (10-15 сек.) — слишком быстро, чтобы быть замеченными. «Нет ничего лучше чёткого изображения», — говорит профессор INRS, специалист в области сверхбыстрой визуализации Дзиньянг Лианг. Он и его группа, под руководством сотрудника Калтеха Лихонг Ванга, разработали «T-CUP» — самую быструю в мире фотокамеру, способную делать десять триллионов (1013) кадров в секунду. Эта камера способна буквально останавливать время, и позволяет наблюдать явления — и даже свет! — с экстремальным замедлением.
Подпись к изображению: Система сверхскоростной фотографии делает триллион кадров в секунду
В последние годы сочетание инноваций в нелинейной оптике и работе с изображениями открыло путь новым эффективным методам детального анализа динамических явлений в биологии и физике. Но для использования всего потенциала этих методов необходим способ записи изображения в реальном времени с очень коротким временным разрешением, при однократной экспозиции.
При существующих методах съёмка с использованием ультраскоростного лазера должна повторяться много раз, что приемлемо для нечувствительных типов объектов, но не подходит для более хрупких. Например, стекло с лазерной гравировкой может выдержать только один импульс лазера, предоставляя всего пикосекунду для захвата изображения. В таком случае оборудование должно быть способно записывать процесс в реальном времени.
Ультраскоростная фотография была хорошей стартовой точкой. При ста миллиардах кадров в секунду она приближалась к требованиям по интеграции с фемтосекундными лазерами, но всё ещё не соответствовала им. Для усовершенствования этой концепции была разработана новая система «T-CUP» на базе фемтосекундной камеры с развёрткой изображения, где используются способы сбора данных, применяемые в томографии.
«Мы знали, что при использовании только фемтосекундной камеры с развёрткой изображения качество снимков будет ограничено, — говорит Лихонг Ванг, профессор электротехники в Калтехе и директор лаборатории оптики. — Чтобы его улучшить, добавили ещё одну камеру, которая получает статичное изображения. Объединив это с изображением с фемтосекундной камеры, мы можем применить математическое преобразование Радона для получения высококачественных изображений на скорости десять триллионов кадров в секунду».
Установив мировой рекорд скорости киносъёмки в реальном времени, система «T-CUP» позволит создать новое поколение микроскопов для применения в биомедицине, материаловедении и других областях. Эта камера представляет принципиальное усовершенствование, делая возможным изучение взаимодействия вещества и света с беспрецедентным временным разрешением.
При первом же применении сверхбыстрая камера показала рекордный результат, захватив в реальном времени единственный импульс фемтосекундного лазера. Вспышка была заснята на 25 кадрах, сделанных с интервалом 400 фемтосекунд, на которых можно видеть форму импульса, интенсивность и угол наклона.
«Это важное достижение само по себе, — говорит Дзиньянг Лианг, ведущий автор работы — но мы уже видим возможности увеличения скорости до квадриллиона (1015) кадров в секунду!».
Такая скорость позволит рассмотреть до того недоступные секреты взаимодействия материи и света.
16.10.2018 14:55
