Самая быстрая в мире камера снимает 10 триллионов кадров в секунду

Сверхскоростная камера T-CUP

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. 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. Например, можно подробно изучать процессы в живой клетке или движение молекул.

Принцип работы T-CUP

Фемтолазеры — лишь половина дела. В камере используются лазеры, которые производят ультракороткие импульсы в фемтосекундном диапазоне (10-15 с). Создание T-CUP стало возможным благодаря инновациям в нелинейной оптике и технологиях визуализации. Чтобы использовать их в видеокамере, должен быть способ записи изображений в реальном времени с очень коротким временны́м разрешением.

Например, лазерная гравировка стекла может выдержать только один лазерный импульс, так что у исследователей есть менее пикосекунды, чтобы захватить результаты. 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. Другими словами, метод визуализации должен быть способен охватить весь процесс в режиме реального времени.

Этот метод позволил достичь 100 миллиардов кадров в секунду, о нём рассказывалось на Хабре в 2014 году. Сжатая сверхбыстрая фотография (compressed ultrafast photography, CUP) стала хорошей отправной точкой. Здесь уже применяется высокоскоростной фемтосекундный фотохронограф, как в томографии, в сочетании с камерой, которая записывает статичное изображение. Однако технология имела принципиальные ограничения, для преодоления которых разработан улучшенная система T-CUP, поднявшая скорость на несколько порядков. 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).

Процесс временно́й фокусировки одиночного фемтосекундного лазерного импульса

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.

Этот процесс записан на 25 кадрах с интервалом 400 фемтосекунд: на нём в деталях видны форма, интенсивность и угол наклона светового импульса. Впервые видеокамера сняла процесс временно́й фокусировки одиночного фемтосекундного лазерного импульса в режиме реального времени (на фото выше).

Кадры видеосъёмки T-CUP

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. 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).

Вместе с научной работой в открытом доступе лежит несколько видеороликов, вот один из них. Описание своей разработки учёные опубликовали в журнале Nature.

Исследователи считают, что на такой скорости можно узнать ещё не обнаруженные секреты взаимодействия света и материи. «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». Например, можно детально регистрировать разлёт молекул во время взрыва, распространение световых лучей и другие интересные вещи.

Так что подобные устройства могут найти применение не только в теоретической физике, но и во вполне реальных, полезных приборах. 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).