Камера засняла движение лазерного импульса со скоростью 10 триллионов кадров в секунду
Физики из США и Канады построили камеру, которая записывает электромагнитные волны со скоростью около 10 триллионов кадров в секунду, то есть позволяет различить события, разделенные промежутком около 100 фемтосекунд. Для этого ученые записывали плоские проекции трехмерного процесса, а затем решали задачу оптимизации и восстанавливали исходное изображение. Статья опубликована в Nature Light и находится в свободном доступе.
Большинство привычных для нас процессов происходят сравнительно медленно, так что мы можем легко заснять их с помощью обычной камеры, которая работает с частотой около 30–60 кадров в секунду. Однако некоторые процессы в физике и биологии требуют гораздо большего временно́го разрешения. В частности, чтобы увидеть «отрыв» электрона от атома или зарегистрировать движение световой волны, которая распространяется в веществе со скоростью порядка 200 тысяч километров в секунду, нужно использовать камеры, работающие с частотой более триллиона кадров в секунду.
Несмотря на то, что такие камеры уже давно существуют, они имеют недостатки, которые сильно ограничивают область их применения.
В настоящее время самый распространенный метод регистрации сверхбыстрых процессов спектроскопии основан на возбуждении образца с помощью лазера и последующем измерении его «отклика». Этот так называемые накачивающе-зондирующие измерения (pump-probe measurements). Несмотря на то, что этот способ позволяет достичь фемтосекундного разрешения по времени (1015 кадров в секунду), он может работать только в том случае, если исследуемые процессы довольно точно воспроизводят сами себя во времени. Грубо говоря, при накачивающе-зондирующих измерениях «кино» снимается по следующей схеме. Сначала ученые «высвечивают» с помощью вспышки фемтосекундного лазера первый кадр процесса. Когда процесс завершится, исследователи запускают его снова и «высвечивают» второй кадр, задерживая вспышку на несколько фемтосекунд. Затем экспериментаторы повторяют эти действия еще много раз, а потом склеивают кадры.
К сожалению, далеко не все процессы точно воспроизводят себя во времени — например, биологические процессы в основном протекают случайно. Кроме того, для повышения точности измерений оптическая система может быть так тонко настроена, что первый же импульс лазера изменит ее параметры, и воспроизвести процесс не удастся. В этих случаях накачивающе-зондирующие измерения выполнить невозможно.
С другой стороны, для наблюдений за сверхбыстрыми процессами можно использовать пространственно-временную двойственность уравнений электродинамики. Проще говоря, двойственность позволяет преобразовать временну́ю развертку импульса света в пространственную, а затем записать ее на условной фотопластинке. Чем раньше во времени расположен «кадр» процесса, тем ближе к началу фотопластинки будет находиться его изображение. На этом свойстве уравнений основаны щелевые камеры (streak camera), которые создают изображение с помощью электронов, выбиваемых импульсом света из фотокатода. Современные щелевые камеры позволяют записывать импульсы с частотой около триллиона кадров в секунду.
Разумеется, такая камера способна записать не только повторяющиеся, но и единичные процессы. Тем не менее, качество изображений, создаваемых щелевой камерой, сравнительно невысоко, а потому физики пытаются увеличить ее временно́е и пространственное разрешение другими способами.
Группа ученых под руководством Цзиньянь Ляна (Jinyang Liang) совместила щелевую камеру и сжатое считывание (compressed sensing) с помощью метода сжатой сверхбыстрой фотографии (compressed ultrafast photography) и научилась регистрировать процессы с частотой около 10 триллионов кадров в секунду. Для этого исследователи придерживались следующей схемы. Сначала физики собирали «сырые» данные о процессе — для этого разделили на две части пучок света, исходящий от процесса, и записали два его изображения. Изображение первого пучка записывалось напрямую двумерной матрицей, которая фактически производила двумерное преобразование Радона с фиксированным углом. Преобразование Радона R(s, α) — это интеграл от функции вдоль прямой, которая перпендикулярна вектору (cosα, sinα) и проходит на расстоянии s от начала координат.
По сути своей преобразование Радона напоминает преобразование Фурье (в частности, оно обратимо). Второй пучок пропускался сквозь псевдослучайный двоичный паттерн (черно-белая пластинка на рисунке), сдвигался по времени, разворачивался щелевой камерой и записывался еще одной матрицей. Это изображение можно рассматривать как преобразование Радона с углом, который зависит от скорости сдвига щелевой камеры. Таким образом, ученые за один шаг записывали две двумерные проекции трехмерной динамической сцены (2 пространственных + 1 временно́е измерение). Наконец, физики восстанавливали трехмерное изображение исходного процесса из его проекций, решая задачу оптимизации, то есть минимизируя функционал от искомого распределения интенсивности при известных результатах его преобразования.
В результате ученые научились записывать процессы с временны́м разрешением в диапазоне от 0,5 до 10 триллионов кадров в секунду. На практике продолжительность таких «фильмов» достигала 350 кадров (то есть порядка 10 пикосекунд), а размеры каждого кадра составляли 450×150 пикселей.
Более длинные «фильмы» ученым создать не удалось, поскольку они не смогли найти хранилище, которое способно так быстро записывать большие объемы данных.
В качестве примера физики засняли, как лазерный импульс с длиной волны около 800 нанометров и продолжительностью порядка 50 фемтосекунд проходит сквозь двухмиллиметровую стеклянную пластинку (коэффициент преломления n ≈ 1,5) и разделяется на два пучка. По теоретическим оценкам, свету нужно около 10 пикоосекунд, чтобы пройти сквозь такую пластинку. На практике ученые получили 9,6 пикосекунд, а также записали видео процесса.
Авторы статьи утверждают, что метод, который они использовали в этой работе, теоретически позволяет записывать «фильмы» со скоростью более квадриллиона (1015) кадров в секунду. Такие высокие скорости позволят детально изучить необратимые химические реакции и исследовать динамику наноструктур. Ранее метод CUP позволял получить временно́е разрешение не выше 100 миллиардов кадров в секунду.
С каждым годом ученые все больше и больше увеличивают временно́е разрешение камер, которые снимают сверхбыстрые процессы — например, движение ударной волны света. Так, в 2015 году максимальная «скорострельность» камеры впервые превысила один триллион кадров в секунду, а весной 2017 года достигла пяти триллионов кадров в секунду. В настоящее время самый короткий зафиксированный промежуток времени составляет примерно 850 зептосекунд (8,5×10−19 секунд) — чтобы достичь такого хорошего временно́го разрешения, ученые много раз облучали атом гелия инфракрасным и ультрафиолетовым лазером, а затем тщательно анализировали процесс поглощения и переизлучения фотонов.
Дмитрий Трунин
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Машины-монстры: Самая быстрая камера, делающая 10 триллионов кадров в секунду » DailyTechInfo
Всегда интересно смотреть видео, снятые в режиме замедленной съемки скоростными камерами, лучшие из которых могут делать тысячи и десятки тысяч кадров в секунду.
Но возможности новой сверхвысокоскоростной камеры, разработанной исследователями из Калифорнийского технологического института и организации INRS, значительно превышают возможности всего, что было создано ранее. Эта камера способна снимать со скоростью 10 триллионов кадров в секунду и такой скорости уже достаточно для того, чтобы исследовать все тонкости процессов взаимодействия материи со светом, происходящих на наноразмерном уровне.
Отметим, что обладателем рекорда по скорости съемки до последнего времени была камера, созданная шведскими учеными в прошлом году, способная снимать со скоростью 5 триллионов кадров в секунду. Шведы, в свое время, отобрали пальму первенства у японцев, камера которых снимала со скоростью 4.4 триллиона кадров в секунду. Новая же камера уходит вперед с отрывом в два раза по скорости съемки и это позволяет ее разработчикам надеяться на то, что их детище сумеет продержаться на первой позиции достаточно длительное время.
В основе новой камеры лежит технология сверхскоростной сжатой фотосъемки (compressed ultrafast photography, CUP), которая, сама по себе, способна обеспечить съемку со скоростью порядка 100 миллиардов кадров в секунду.
Это, конечно, очень большая скорость, но ее недостаточно для того, чтобы заснять распространение импульса лазерного света, длительность которого исчисляется фемтосекундами, квадриллионными долями секунды для справки.
В новой камере использованы две камеры, полосовая фемтосекундная камера и статическая камера, объединенные в единую систему. В основе работы системы управления лежит метод получения, накопления и обработки данных, известный под названием преобразований Радона (Radon transformation). И эта сложная система получила название T-CUP.
«Мы знали о том, что при использовании только полосовой фемтосекундной камеры, качество получаемых нами изображений будет весьма ограничено» — рассказывает Лихонг Ван (Lihong Wang), ведущий исследователь, — «Для улучшения качества работы системы мы добавили камеру, снимающую статическое изображение. Данные от этой камеры, объединенные с данными фемтосекундной камеры, пропущенные через сложнейшую математическую обработку, позволяют нам получить высококачественный видеоряд, снятый со скоростью в 10 триллионов кадров в секунду».
Новая камера T-CUP полностью подтвердила свои характеристики на первых же проведенных испытаниях, сняв процесс распространения импульса лазерного света. При этом, камерой было сделано 25 снимков через интервал времени, равный 400 фемтосекундам. И, анализируя полученные снимки, ученые получили возможность увидеть вживую изменения формы импульса, интенсивности и других его характеристик с большей временной разрешающей способностью, чем это было возможно ранее.
И в заключение следует отметить, что новая камера позволит ученым изучить более короткие события и явления, которые раньше ускользали от людей, вооруженных более медленными инструментами. А разработчики камеры T-CUP планируют продолжить работы по совершенствованию своего детища, что позволит им шагнуть гораздо дальше отметки в 10 триллионов кадров в секунду.
«Создание новой камеры уже само по себе является большим достижением» — рассказывает Джинайанг Лиэнг (Jinyang Liang), один из исследователей, — «Но уже сейчас мы видим некоторые возможность, которые позволят нам увеличить скорость съемки до одного квадрильона кадров в секунду!».
Машины-монстры — все о самых исключительных машинах, механизмах и устройствах в мире, от громадных средств уничтожения себе подобных до крошечных точнейших устройств, механизмов и всего того, что находится в промежутке между ними.
Ключевые слова:
Машины, Монстры, Камера, T-CUP, Скорость, Съемка, Рекорд, Импульс, Свет, Материя
Первоисточник
Другие новости по теме:
Добавить свое объявление
Загрузка.
..
Самая быстрая в мире камера снимает 10 триллионов кадров в секунду
Фотография
Посмотреть 3 изображения
Посмотреть галерею — 3 изображения Замедленное видео всегда было интересно смотреть, поскольку лучшие установки обычно снимают в масштабе тысячи кадров в секунду. Но теперь самая быстрая в мире камера, разработанная исследователями из Калифорнийского технологического института и INRS, вырывает их из воды, захватывая мир с ошеломляющей скоростью 10 триллионов кадров в секунду — достаточно быстро, чтобы исследовать наноразмерные взаимодействия между светом и материей.
В прошлом году рекорд принадлежал шведской команде с камерой с пятью триллионами кадров в секунду, которая сама по себе была усовершенствованием более ранней системы с 4,4 триллионами кадров в секунду. Новая камера небрежно удваивает предыдущий рекордсмен, что может облегчить просмотр наноразмерного мира с большим «временным» разрешением.
Для новой техники обработки изображений команда начала со сжатой сверхбыстрой фотографии (CUP) — метода, способного снимать со скоростью 100 миллиардов кадров в секунду. Само по себе это не повод для насмешек, но это все еще недостаточно быстро, чтобы действительно зафиксировать то, что происходит со сверхбыстрыми лазерными импульсами, которые происходят в масштабе фемтосекунд. Для справки, фемтосекунда — это одна квадриллионная доля секунды.
Итак, команда построила эту технологию, объединив фемтосекундную полосовую камеру и статическую камеру и пропустив ее через метод сбора данных, известный как преобразование Радона. Эта передовая система получила название T-CUP.
«Мы знали, что при использовании только фемтосекундной камеры качество изображения будет ограниченным», — говорит Лихонг Ван, один из ведущих авторов исследования. «Поэтому, чтобы улучшить это, мы добавили еще одну камеру, которая получает статическое изображение. В сочетании с изображением, полученным фемтосекундной камерой, мы можем использовать то, что называется преобразованием Радона, для получения высококачественных изображений при записи десять триллионов кадров в секунду. »
Изображения в реальном времени, полученные системой T-CUP, фемтосекундного лазерного импульсаЦзиньян Лян, Лижэнь Чжу и Лихун В. Ван
В ходе первого теста камера доказала свою ценность, зафиксировав один фемтосекундный импульс лазерного света, записав 25 изображений, каждое из которых отстояло друг от друга на 400 фемтосекунд. В ходе этого процесса команда смогла увидеть изменения формы, интенсивности и угла наклона светового импульса в гораздо более медленном движении, чем когда-либо прежде.
Это может помочь нам увидеть все более короткие события, которые в конечном итоге могут открыть новые секреты в сверхбыстрых мирах физики и биологии. И, конечно же, команда не планирует останавливаться на 10 триллионах кадров в секунду.
«Это достижение само по себе», — говорит Джиньян Лян, ведущий автор исследования. «Но мы уже видим возможности увеличения скорости до одного квадриллиона кадров в секунду!»
Исследование было опубликовано в журнале Light: Science & Applications .
Источник: МСФО
Посмотреть галерею — 3 изображенияМайкл Ирвинг
Майкл всегда был очарован космосом, технологиями, динозаврами и странными тайнами вселенной. Имея степень бакалавра искусств в области профессионального письма и многолетний опыт работы, он присоединился к New Atlas в качестве штатного писателя в 2016 году.
Новая суперкамера со скоростью 10 триллионов кадров в секунду может остановить время свет в замедленной съемке.
Лихонг Ван и Джиньян Лян
Джеймс Деннин
Исследователи из Национального института научных исследований во Франции разработали камеру нового типа под названием T-CUP, которая, по их словам, способна снимать изображения со скоростью 10 триллионов кадров в секунду. , достаточно быстро, чтобы просматривать такие явления, как свет в замедленном темпе.
Это уже достаточно быстро, чтобы установить мировой рекорд, но, согласно заявлению авторов, они уже определили возможности для дальнейшего ускорения процесса, до одного квадриллиона кадров в секунду. Их цель — создать новое поколение микроскопов и других технологий обработки изображений, способных лучше анализировать взаимодействия между светом и веществом. Их выводы были опубликованы в последнем номере журнала 9.
0051 Свет: наука и приложения .
«Мы знали, что при использовании только фемтосекундной камеры качество изображения будет ограниченным, — говорит она. «Чтобы улучшить это, мы добавили еще одну камеру, которая получает статичное изображение. В сочетании с изображением, полученным фемтосекундной камерой, мы можем использовать так называемое преобразование Радона для получения высококачественных изображений при записи десяти триллионов кадров в секунду».
Визуализация в реальном времени временной фокусировки фемтосекундного лазерного импульса со скоростью 2,5 Ткад/с. Цзиньян Лян, Лижэнь Чжу и Лихун В. Ван
Коллега профессора Янга, Цзиньян Лян, в прошлом году разработал суперкамеру аналогичного типа, используя технику, называемую «сжатая сверхбыстрая фотография с кодированием без потерь» (LLE-CUP), которая позволяла снимать изображения со скоростью около 100 кадров в секунду. миллиардов кадров в секунду. В этом случае цель состояла в том, чтобы попытаться зафиксировать активность нейронов в мозгу, однако, говоря с Inverse в ноябре прошлого года, Лян сказал, что камера на самом деле слишком быстрая .
«Мы можем [теперь] записывать данные без размытия движения», — сказал тогда Лян. «Возможно, нам нужно будет улучшить разрешение по глубине в будущем, и тогда у камеры появится потенциал для медицинских 3D-изображений. Это был бы квантовый скачок в этих областях».
Технологии здесь быстро развиваются (извините).