Учёные из Национального научно-исследовательского института (Канада) и Калифорнийского технологического института разработали самую скоростную в мире видеокамеру T-CUP, которая снимает со скоростью 10¹³, то есть 10 триллионов кадров в секунду. Этот прибор позволяет буквально заморозить время, то есть визуализировать явления (и даже свет) в очень медленном темпе.
Высокоскоростные камеры открывают двери для новых и высокоэффективных методов микроскопического анализа динамических явлений в биологии и физике. Например, можно подробно изучать процессы в живой клетке или движение молекул.
В камере используются лазеры, которые производят ультракороткие импульсы в фемтосекундном диапазоне (10-15 с). Фемтолазеры — лишь половина дела. Чтобы использовать их в видеокамере, должен быть способ записи изображений в реальном времени с очень коротким временны́м разрешением. Создание T-CUP стало возможным благодаря инновациям в нелинейной оптике и технологиях визуализации.
Используя современные методы визуализации, измерения с помощью сверхкоротких лазерных импульсов, должны повторяться многократно, что подходит для некоторых типов инертных образцов, но невозможно для других более хрупких. Например, лазерная гравировка стекла может выдержать только один лазерный импульс, так что у исследователей есть менее пикосекунды, чтобы захватить результаты. Другими словами, метод визуализации должен быть способен охватить весь процесс в режиме реального времени.
Сжатая сверхбыстрая фотография (compressed ultrafast photography, CUP) стала хорошей отправной точкой. Этот метод позволил достичь 100 миллиардов кадров в секунду, о нём рассказывалось на Хабре в 2014 году. Однако технология имела принципиальные ограничения, для преодоления которых разработан улучшенная система T-CUP, поднявшая скорость на несколько порядков. Здесь уже применяется высокоскоростной фемтосекундный фотохронограф, как в томографии, в сочетании с камерой, которая записывает статичное изображение. В таком сочетании исследователи получили возможность использовать так называемое преобразование Радона для получения высококачественных изображений со скоростью до десяти триллионов кадров в секунду (преобразование Радона — интегральное преобразование функции многих переменных, родственное преобразованию Фурье).
Зачем это нужно?
Установив мировой рекорд по скорости визуализации, Т-CUP может привести к появлению нового поколение микроскопов для биомедицины, материаловедения и других приложений. Эта камера представляет собой фундаментальный сдвиг. Она даёт возможность анализировать взаимодействия между светом и веществом с беспрецедентным временны́м разрешением.
Впервые видеокамера сняла процесс временно́й фокусировки одиночного фемтосекундного лазерного импульса в режиме реального времени (на фото выше). Этот процесс записан на 25 кадрах с интервалом 400 фемтосекунд: на нём в деталях видны форма, интенсивность и угол наклона светового импульса.
На фотографиях выше показаны: лазерный импульс, который проходит под наклоном через решётку (b); пространственная фокусировка одного лазерного импульса (с), лазерный импульс продолжительностью 7 пикосекунд, который пролетает через сплиттер 50:50 в небольшом облачке водяного пара (e); лазерный импульс, который отражается от двух зеркал (g). В первом случае видеосъёмка велась с максимальной скоростью 10 Tfps, во второй и третьей серии кадров — на 2,5 Tfps, а в последней серии кадров — «всего» на 1 триллионе кадров в секунду.
Описание своей разработки учёные опубликовали в журнале Nature. Вместе с научной работой в открытом доступе лежит несколько видеороликов, вот один из них.
«Это само по себе достижение, — говорит ведущий автор научной работы Цзиньян Лян, — но мы уже видим возможности для увеличения скорости до одного квадриллиона (1015) кадров в секунду». Исследователи считают, что на такой скорости можно узнать ещё не обнаруженные секреты взаимодействия света и материи. Например, можно детально регистрировать разлёт молекул во время взрыва, распространение световых лучей и другие интересные вещи.
Кстати, специалисты по безопасности рассчитывают, что камера на такой скорости позволит снимать объекты, которые не находятся в прямой видимости, то есть буквально снимать противника из-за угла (видеодемонстрация). Так что подобные устройства могут найти применение не только в теоретической физике, но и во вполне реальных, полезных приборах.