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.
15 триллионов кадров в секунду / Хабр
Каждую секунду вокруг нас протекает множество физических и химических процессов, которые крайне сложно зафиксировать. Сложность заключается не только в габаритах участвующих объектов, но и в скорости самих процессов.
В современных исследованиях большую роль играет скоростная съемка, позволяющая запечатлеть сверхбыстрые динамические явления. Но даже у такой технологии есть свой предел, который утрировано можно обозначить кадрами в секунду. Ученые из университета Шэньчжэня (Китай) смогли создать исключительно оптическую систему, способную достичь 15 триллионов кадров в секунду. Какие техники и явления были использованы в данной разработке, что показали практические опыты, и где данное творение может найти свое применение? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Высокоскоростная визуализация является неотъемлемым инструментом изучения таких шустрых динамических процессов как фемтосекундная лазерная абляция, распространение лазерных филаментов, молекулярная динамика, взаимодействие ударных волн в живых клетках и т.д.
Вполне ожидаемо, что сверхбыстрая оптическая визуализация, которая может обеспечить визуализацию переходных процессов без размытия, является желанным инструментом для ученых из самых разных областей науки (химия, физика, оптическая инженерия, материаловедение, биомедицина и т.
д.).
На данный момент уже существует ряд методик, позволяющих достичь вполне неплохих результатов в области оптической визуализации. К примеру, визуализация с временным разрешением, основанная на методах накачки и зондирования, отлично справляется с воспроизводимой переходной динамики с высокой частотой повторения. Однако данная методика теряет свои преимущества при работе с процессами, которые имеют низкую частоту повторения или не повторяются вовсе.
Заменить метод накачки-зондирования можно однократной оптической визуализацией. В некоторых работах удавалось даже достичь 25 миллионов кадров в секунду (Mfps). А вот сжатая сверхбыстрая фотография (CUP от compressed ultrafast photography) может работать с частотой кадров 0.1 триллиона кадров в секунду (Tfps) с временным разрешением ~ 50 пс за счет применения алгоритма на основе алгоритма компрессионного зондирования* (compressive sensing).
Компрессионное зондирование (compressive sensing)* — методика получения и восстановления сигнала за счет знания о его предыдущих значениях, которые разрежены или сжаты.Пространственное разрешение такого метода может быть масштабировано до 7 lp/mm (пар линий на миллиметр, далее — пл/мм). Если же добавить 20х объектив, то получится фазочувствительная сжатая сверхбыстрая фотография (pCUP), способная выдать пространственное разрешение в несколько микрометров и скорость визуализации в 1 Tfps.
В такой методики можно достичь хороших показателей пространственного разрешения, чего нельзя сказать о временном разрешении. Следовательно, необходим метод, который сможет объединить сильные стороны вышеописанных методов воедино.
По заверению ученых, отличным кандидатом на эту роль подходит оптическое параметрическое усиление (OPA от optical parametric amplification). Применяя OPA к оптическому изображению, информацию, содержащуюся в сигнале, можно скопировать на «холостое» изображение. Данная особенность вдохновила ученых на создание нового метода однократной сверхбыстрой оптической визуализации, названного формированием изображения посредством неколлинеарного оптического параметрического усиления (FINCOPA от
Неколлинеарное устройство позволяет преобразовывать информацию в последовательных кадрах в пространственно разделенные холостые изображения с помощью многокаскадных оптических параметрических усилителей, накачиваемых последовательной серией лазерных импульсов.
Данный полностью оптический метод также лишен каких-либо узких мест, связанных с активными механическими и электронными компонентами для быстрого сканирования, что критично для высокой частоты кадров.
Принцип работы системы FINCOPA
Изображение №1
Схема выше является иллюстрацией работы системы FINCOPA. Был использован импульс выборки с достаточно большой временной шириной, чтобы охватить всю информацию в целевом переходном процессе. Кроме того, последовательность ультракоротких импульсов (обозначенных как trigger-1, 2, 3 и 4) была использована для запуска и переключения информации изображения с разных временных срезов импульса выборки на другую последовательность ультракоротких импульсов (помеченных как recorded-1, 2, 3 и 4) с использованием каскадных преобразователей оптических изображений.
Поскольку записанные изображения пространственно разделены друг от друга, их можно принимать разными CCD (ПЗС от прибор с зарядовой связью) камерами.
Кадровые интервалы определяются относительными задержками между импульсом выборки и импульсами запуска, тогда как время экспозиции изображений можно оценить, используя длительность импульсов запуска. Таким образом, время экспозиции, эффективная частота кадров и номер кадра не зависят друг от друга.
Для реализации этой идеи необходима фемтосекундная лазерная система с фемтосекундным временным разрешением. Как отмечают ученые, тут крайне важна точная временная синхронизация между импульсами запуска и импульсом выборки. Достичь этого удалось за счет получения как импульса выборки, так и импульсов запуска от одного и того же лазерного источника, что снижает временные колебания между синхронизированными импульсами до нескольких фемтосекунд. Номер кадра (N) определяется отношением полной доступной мощности импульса запуска к мощности, необходимой для запуска каждого преобразователя оптического изображения.
OPA может отображать информацию о сигнале в холостом изображении, поэтому оптические параметрические усилители могут служить преобразователями изображения. Кроме того, использование ультракоротких импульсов в качестве накачки для OPA означает короткое время экспозиции при визуализации OPA, то есть высокое временное разрешение.
В оптическом параметрическом усилителе OPA возникает только во время взаимодействия между накачкой и сигналом, а это означает, что информация об изображении отображается в холостом только под действием накачки. Накачка имеет гораздо меньшую длительность импульса, чем сигнал, поэтому она может действовать как оптический затвор. Выдержку можно оценить по длительности импульса накачки, а временное разрешение в основном определяется длительностью холостого импульса. Обе длительности будут равны друг другу, если толщина кристаллов OPA будет достаточно тонкой для подавления временного отклонения между сигналом и импульсами накачки.
Кроме того, сверхкороткая длительность импульса накачки способствует высокой интенсивности накачки (например, > 100 ГВт/см2), что также положительно влияет на усиление OPA и позволят достичь большой пространственно-временной полосы пропускания.
Другими словами, интенсивность накачки для OPA определяется требуемым усилением OPA и полосой пропускания, но также ограничивается требуемыми размерами изображения и доступной мощностью накачки для OPA.
Для конкретных интенсивности накачки и размеров изображения или площади накачки каждого усилителя количество усилителей или количество кадров можно оценить, поделив общую мощность накачки на мощность накачки каждого усилителя. Кроме того, время задержки между импульсом накачки и сигнальным импульсом определяет экспонированные временные срезы сигнала в каждом усилителе (τ).
Из различий между каждым значением τ можно определить интервалы кадров. В системе FINCOPA значение τ ограничивается только минимально доступными размерами шага линий временной задержки (DL от delay lines) и флуктуациями траекторий луча лазера. Как правило, интервал кадров больше, чем продолжительность импульса накачки.
На изображении 1b показана экспериментальная установка FINCOPA.
Используемый фемтосекундный титан-сапфировый лазер имеет следующие параметры: 1 кГц; 800 нм; 3.5 мДж; длительностью импульса ~ 40 фс. Выход лазера сначала проходит через генератор второй гармоники (ГВГ): 0.2 мм β-BBO кристалл. Временное разрешение экспериментальной установки составляет около 50 фс.
Примерно 30% лазерного импульса преобразуется во вторую гармонику (т.е. импульс 400 нм) с длительностью импульса ~ 40 фс. После прохождения через разделитель длин волн (WS от wavelength separator) импульс 400 нм разделяется на четыре дочерних импульса группой делителей луча (BSG от beam splitter group), включая три 50:50 делителя, для накачки четырех оптических параметрических усилителей (NCOPA-1…NCOPA-4). Количество усилителей или количество кадров равно четырем, что в основном ограничено выходной мощностью импульса фемтосекундной лазерной системы (~ 3.5 Вт на частоте 1 кГц). Если энергия фемтосекундного лазера достигает 7 Вт, количество кадров можно оценить в 4 х 7/ 3.
5 = 8.
Непреобразованный основной импульс 800 нм отражается WS. Около 1% лазерного импульса с длиной волны 800 нм направляется в расширитель импульсов (PS от pulse stretcher) — распределитель импульсов, который увеличивает длительность импульса до 50 пс. Затем расширенный импульс работает как выборка для освещения целевого сверхбыстрого события, а также как сигнал последующих оптических параметрических усилителей.
В описанной выше установке между целевым объектом и оптическими параметрическими усилителями используются четыре оптических системы формирования изображений (от OIS-1 до OIS-4), так что плоскости цели и плоскости усилителей сопряжены друг с другом. OIS-1 отображает цель на NCOPA-1 с помощью оптического увеличения, чтобы соответствовать пространственной полосе пропускания усилителя, таким образом оптимизируя качество изображения. OIS-2, OIS-3 и OIS-4 используются для 1х релейной визуализации. Четыре части кристаллов β-BBO толщиной 0.5 мм и сечением 29.2 градуса работают для OPA при фазовом согласовании типа I.
В каждом усилителе накачка и сигнал расположены с небольшим углом пересечения (~ 2 градуса) внутри кристаллов β-BBO, так что генерируемое холостое изображение пространственно отклоняется от них обоих. Время задержки между ними можно независимо регулировать с помощью DL (от DL-1 до DL-4).
На каждом пути холостого изображения используется линза для отображения β-BBO кристалла на CCD камере для оптимизации качества изображения.
Характеристики системы FINCOPA
Использование фемтосекундного лазерного импульса в качестве накачки для получения изображений с помощью OPA имеет несколько преимуществ. Во-первых, более сильный импульс накачки может обеспечить более высокий прирост оптического параметрического усиления. Во-вторых, такой импульс позволяет получить большую пространственную полосу пропускания.
Доступная интенсивность накачки в основном ограничена повреждением OPA кристалла от лазерного воздействия, которое также зависит от длительности импульса накачки: чем короче длительность накачки, тем выше доступная интенсивность.
Для фемтосекундных импульсов интенсивность накачки может достигать сотен ГВт/см2. А вот наносекундные импульсы обычно имеют интенсивность ниже 10 ГВт/см2. В проводимых экспериментах накачка была установлена на уровне 15 ГВт/см2, а коэффициент усиления OPA составлял около 30.
Перед проведением фактических испытаний необходимо было произвести пространственную и временную калибровку.
Для начала необходимо было откалибровать поперечное положение четырех CCD (ПЗС) и увеличение оптической системы формирования изображения. Это было сделано путем одновременного захвата тестовых изображений с CCD.
Далее определялось начальное время, т.е. «нулевой момент времени», когда сигнал взаимодействует с системой накачки NCOPA-1 (накачка-1). Этот параметр можно менять, настраивая задержку первого импульса накачки через DL-1. Соответственно, нулевые позиции NCOPA-2, NCOPA-3 и NCOPA-4 могут быть зафиксированы путем настройки временных задержек их систем накачки так, чтобы сигнал, усиленный NCOPA-1, также был максимизирован за счет NCOPA-2, NCOPA-3, и NCOPA-4 одновременно.
Кадровое изображение, которое было перенесено с помощью холостого импульса (idler-1) и снято камерой CCD-1, является первым изображением. Последующие три холостых изображения с CCD-2, CCD-3 и CCD-4 стали вторым, третьим и четвертым изображениями соответственно. Их моменты относительно нулевого времени были отрегулированы с помощью DL-2, DL-3 и DL-4, чтобы изменить временные задержки лучей накачки.
Сверхбыстрая визуализация плазменной решетки
Чтобы проверить производительность FINCOPA, была сконструирована плазменная решетка в качестве первого образца. Это связано с тем, что такая решетка имеет регулируемые структуры с пространственным периодом до 10 мкм и сроком службы, измеримом в пикосекундах. Следовательно, для визуализации такого образца необходимо субпикосекундное временное разрешение и пространственное разрешение на уровне микрометров.
Решетка возбуждалась двумя неколлинеарными ультракороткими импульсами с длиной волны 800 нм с помощью неколлинеарного интерферометра (NCI от noncollinear interferometer).
Полная энергия возбуждающего импульса составляла 2.4 мДж, а фокусное расстояние линзы (L) 250 мм. Период решетки регулируется за счет изменения угла пересечения двух лучей (2α).
Изображение №2
На 2а представлена структура решетки для 2α = 3.8 градуса, а 2b показывает одномерный профиль интенсивности, записанный вдоль вертикальной белой линии на 2а.
Было установлено, что период модуляции решетки составляет 12 мкм, что соответствует плотности штрихов около 83 пл/мм в вертикальном направлении. Согласно концепции устройства, NCOPA могут разрешать пространственные структуры с пространственной частотой до 36 пл/мм, посему в OIS-1 было настроено 3х увеличение для визуализации образца на NCOPA для 83 пл∕мм решетки.
Два импульса возбуждения для образца поступали от лазерной системы Ti:S с частотой 1 кГц вместе с селектором одиночных импульсов. В отсутствие селектора одиночных импульсов событие повторялось с частотой 1 кГц, поэтому оно было зарегистрировано методом накачки-зондирования.
Накачка-зондирование использовалось для регистрации эволюции плазменной решетки с NCOPA-1 и CCD-1, которая, как видно на 2с, включает 16 фрагментов изображения.
Каждый из фрагментов имеет вертикальную белую линию для калибровки пространственного положения в горизонтальном направлении. На каждом фрагменте изображения плазменная решетка распространяется слева направо. А нулевой момент времени был определен как момент, когда плазма пересекает белую линию на первом фрагменте изображения (2с).
График 2d демонстрирует изменение модуляции в зависимости от задержки. Анализ этих данных позволяет предположить, что после прохождения импульса накачки через белую линию плазменная решетка становится монотонно сильнее, но начинает исчезать через 4 пс.
Для покадровой визуализации был установлен селектор одиночных импульсов на выходе системы Ti:S для создания однокадровой плазменной решетки.
Изображение №3
На изображении выше представлены четыре группы снимков, каждая из которых включает четыре кадра видеозаписи решетки, полученной с помощью системы FINCOPA (видео №1).
Видео №1
На 3а интервалы времени между соседними холостыми изображениями составляют 100 фс. Это означает, что FINCOPA работает с частотой кадров 10 Tfps (видео №2).
Видео №2
На 3а также видно, что полосы плазменной решетки слева направо постепенно становятся видимыми с течением времени, что означает, что плотность электронной плазмы монотонно увеличивается от 0 до 300 фс.
На 3b представлены кадры в период времени 0, 200, 400 и 600 фс, т.е. с интервалом между кадрами 200 фс (видео №3).
Видео №3
Полосы на плазменной решетке становятся все более четкими, что можно проверить по изменению модуляции вдоль белых линий ( 3f).
Основываясь на данных из 3е и 3f, интервал между кадрами был увеличен до 1 пс, а зафиксированный момент NCOPA-1 был перенесен из нулевого временного момента на 1 пс (видео №4).
Видео №4
На 3с и 3g показаны изображения и кривая модуляции, отражающие тенденцию к увеличению плазменной решетки (3а и 3b).
На 3d показаны кадры при 5, 8, 20 и 30 пс (видео №5). Видимость полос со временем уменьшается, а это означает, что плазменная решетка начинает постепенно исчезать начиная с 5 до 30 пс. В результате в отличие от 3e–3g, модуляция на 3h со временем уменьшается.
Видео №5
Для сбора полной информации со снимков 3е—3h были получены временные характеристики нормализованной модуляции решетки по белым линиям каждого изображения (синие метки на
Изображение №4
Сравнение результатов работы обоих методов (т.е. сравнение красных и синих меток) показало, что результаты обоих методов совпадают, т.е. система FINCOPA работает исправно.
В случае, когда 2α = 2.5 градусов, период плазменной решетки становится около 18 мкм (т.е. плотность штриховки составляет 56 пл/мм).
Были проведены такие же эксперименты, как и на изображении №3, но уже с 2α = 2.
5, а не 3.8 градусов. Результаты (4b) показывают хорошее совпадение нормированных модуляций между методом накачки-зондирования и методом FINCOPA.
Далее была рассмотрена эволюция решетки вдоль направления ее распространения. Из 4х4 кадров был получен коэффициент модуляции в зависимости от пространственной координаты вдоль направления распространения при различных значениях τ, например 0.8, 1, 2 и 4 пс (5а).
Изображение №5
Пик модуляции смещается вправо с увеличением τ, что объясняется тем, что пара импульсов накачки распространялась слева направо. Поскольку плазменная решетка представляет собой объект с низкой модуляцией интенсивности, измеренный контраст изображения относительно низкий. Используя пространственную фильтрацию, удалось удалить фон и увеличить контраст изображения.
Другое наблюдаемое явление заключалось в том, что пиковые значения модуляций уменьшались с удалением от центра вдоль направления x. На 5b представлена эволюция модуляции решетки в зависимости от времени от 0 до 30 пс в четырех положениях вдоль направления x (т.
е. х = −15, −60, −90 и −500 мкм). Все положения показывают аналогичную эволюцию модуляции, но максимумы уменьшаются при сдвиге положения от центра влево. Таким образом, 5b подразумевает зависимость модуляции решетки от x, которая может быть результатом зависимости интенсивности возбуждающего импульса от x.
Сверхбыстрая визуализация вращающегося оптического поля
Изображение №6
Для дополнительной проверки временного разрешения FINCOPA была выполнена визуализация (схема установки на 7b) сверхбыстрого вращающегося оптического поля с частотой 20 Гц и скоростью вращения более 10 триллионов радиан в секунду (Tрад/с).
Изображение №7
Низкая частота повторения (20 Гц) означает, что этот вид оптического поля может быть усилен до чрезвычайно высокой мощности (например, до десятков тераватт и даже выше). Однако для лазерной системы низкая частота повторения обычно сопровождается большой скачкообразной флуктуацией ее выходных импульсов, так что метод накачки-зондирования может привести к значительной неточности измерения.
Изучаемое поле было создано путем двух чирпированных вихревых импульсов с разными топологическими зарядами (±l) и временной задержкой (δt). Если настроить временную задержку пары чирпированных импульсов на 1 пс, оптическое поле поворачивается с разностью угловых частот Δω = ∼27 Трад/с (т.е. цикл вращение равен 466 фс).
Система FINCOPA визуализировала это событие с интервалом кадров Δt = 66.7 фс, т.е. с частотой в 15 триллионов кадров в секунду (видео №6). На изображении №6 показано поле, поворачивающееся на угол ∼0.9π рад за 200 фс.
Видео №6
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
Часто говорят, что мастер ничто без своих инструментов. Возможно это и преувеличение, ведь талант, навыки и знания никто не отменял. Однако в аспекте исследования каких-либо процессов инструменты играют далеко не последнюю роль.
В данном труде ученые продемонстрировали работоспособную систему скоростной визуализации, которая способна запечатлеть что-либо с частотой кадров до 15 триллионов.
Подобных показателей доныне не было, потому смело можно говорить про установление нового рекорда.
Сами авторы уверены, что их детище позволит познать очень много нового как в явлениях и процессах, которые уже изучены, так и в тех, что пока не могли быть рассмотрены из-за отсутствия необходимой аппаратуры.
Конечно, авторы исследования не намерены поддаваться бахвальству, ибо их система требует улучшений и доработок, которые в будущем смогут привести к тому, что метод FINCOPA станет столь же обыденным и распространенным, как и обычная микроскопия. По крайней мере, это мечта ученых. Станет ли она реальностью, покажет время.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.
99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас:Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Самая быстрая камера в мире | Самая мощная камера 10 триллионов кадров в секунду
- Ученые разработали новую камеру, способную снимать колоссальные 70 триллионов кадров в секунду.
- Один из изобретателей называет новый процесс сжатой сверхбыстрой спектральной фотографией или CUSP.
- Исследование опубликовано в выпуске Nature Communications от 29 апреля.
Несмотря на то, что камеры позволяют нам наблюдать явления, которые в противном случае остались бы незамеченными, их скорость изображения по-прежнему фундаментально ограничивает нашу способность видеть, ну, все . Теперь ученые из Калифорнийского технологического института надеются это изменить.
Обязательная к прочтению статья
- Как делать потрясающие фотографии звезд
В новой статье, опубликованной в журнале Nature Communications , ученые излагают новую технику визуализации, которая может запечатлеть ошеломляющие 70 триллионов кадров в секунду.
Предыдущие разработки в области визуализации, основанные на кремниевых датчиках, обеспечили скорость до миллионов кадров в секунду, говорит Лихонг Ван, профессор медицинской инженерии и электротехники в Калифорнийском технологическом институте.
0008 Популярная механика . Но этого все еще недостаточно, чтобы наблюдать и документировать некоторые из самых мимолетных диковинок в нашем физическом мире, от ядерного синтеза до ультракоротких импульсов света порядка пикосекунд (10 −12 секунд) и флуоресцентных радиоактивный распад молекул.
Ученые обычно изучают эти сверхбыстрые события, запуская желаемое событие несколько раз и неоднократно наблюдая за ним через разные промежутки времени. Этот нелинейный подход, часто используемый для изучения химических реакций, называется методом накачки-зонда. Несмотря на то, что это умно, по-прежнему невозможно визуализировать изображения сверхбыстрых событий в реальном времени, а это означает, что от этого могут выиграть только повторяющиеся задачи.
Nature Communications
Техника Вана, которую он называет сжатой сверхбыстрой спектральной фотографией (CUSP), использует короткие импульсы лазерного света, каждый из которых длится всего одну фемтосекунду или одну квадриллионную долю секунды.
Проще всего представить расширенный процесс в два этапа: визуализация и освещение.
Сначала, на этапе формирования изображения, система сменных объективов захватывает сцену, разделяя световой путь на два отдельных потока. На одном из этих путей внешняя камера фиксирует нерассеянное изображение. В другом цифровое микрозеркальное устройство кодирует изображение в псевдослучайный бинарный шаблон и передает его на входной порт линейной камеры, которая измеряет изменение интенсивности импульса света.
Полосовые камеры в основном используются в лидарных системах, которые беспилотные автомобили используют, чтобы «видеть» окружающий мир.
Связанная история
- Решение проблемы с объективом камеры 2000-летней давности
В секции освещения светоделитель разбивает лазерный импульс на серию более мелких колебаний. Каждая из меньших пульсаций запускает датчик в камере, делающий изображение.
Это происходит 70 триллионов раз в секунду.
Хотя это огромная цифра, каждый кадр на самом деле содержит лишь небольшой объем данных.
«Думайте об этом как о фильме: частота фильма не так велика, поэтому общее количество кадров не так велико», — говорит Ван. «Это как атомная бомба, ядерный синтез. Вся энергия всегда сохраняется, так что это быстро закончится».
Это не первая попытка Вана создать молниеносную визуализацию. Усилия CUSP фактически основаны на его более ранней работе над фазочувствительной сжатой сверхбыстрой фотографией (pCUP). Этот метод может снимать изображения света, движущегося в замедленном темпе со скоростью 10 триллионов кадров в секунду.
Но последняя разработка примерно в семь раз лучше, и в этом вся разница. «Мы получаем больше мелких деталей. В старой версии было не очень хорошо видно», — говорит Ван.
Подробнее в Camera Tech
- HD-камеры могут быть именно тем, что нужно танкам
- На суперкаре камеры заставляют вас двигаться быстрее
- Новая камера iPhone 11 Pro — монстр
лаборатории уже используют прошлые версии технологии визуализации Wang, так что это только вопрос времени, когда то же самое произойдет с новой и улучшенной установкой.
Единственным препятствием является то, что устройство «не такое уж и дешевое», говорит Ван. Но исследователи могут использовать ту же самую установку с более дешевой камерой, чтобы получить удовлетворительные высокоскоростные результаты, но не такие быстрые, как оригинал.
Насколько быстрой будет его следующая камера?
«Я не думаю, что кто-то еще знает предел», — говорит Ван. «Трудно спроектировать, где мы можем достичь».
Кортни Линдер
Заместитель редактора
До прихода в Pop Mech Кортни работала репортером по технологиям в газете своего родного города Pittsburgh Post-Gazette. Она выпускница Университета Питтсбурга, где изучала английский язык и экономику. Ее любимые темы включают, помимо прочего, гигантский кальмар, панк-рок и робототехнику. Она живет в пригороде Филадельфии со своим партнером, своей черной кошкой и башнями из книг.
Самая быстрая в мире камера снимает 70 триллионов кадров в секунду
Электроника
Просмотр 2 изображений
Лучшие камеры телефонов могут записывать замедленное движение со скоростью менее 1000 кадров в секунду.
Коммерческие установки обычно стреляют несколькими тысячами. Но все это абсолютно меркнет по сравнению с новым рекордсменом самой быстрой камеры в мире, которая может похвастаться ошеломляющей скоростью 70 триллионов кадров в секунду. Этого достаточно, чтобы запечатлеть световые волны в движении.
Разработанная в Калифорнийском технологическом институте технология называется сжатой сверхбыстрой спектральной фотографией (CUSP). Как и следовало ожидать, учитывая невероятную частоту кадров, она работает не так, как обычная камера. Он использует чрезвычайно короткие импульсы лазерного света, каждый из которых длится всего одну фемтосекунду. Для справки, это одна квадриллионная доля секунды.
Система оптики разделяет эти импульсы на еще более короткие вспышки. Затем каждый из этих импульсов попадает на специальный датчик в камере, создавая изображение. И это происходит 70 триллионов раз в секунду.
Схема активной системы CUSP для визуализации со скоростью 70 Ткад/с The paper/Caltech (CC BY 4.
0)
Система CUSP основана на более ранней технологии, разработанной ведущим автором исследования Лихонг Ван. Первоначальная версия, известная как сжатая сверхбыстрая фотография (CUP), достигла максимальной скорости 100 миллиардов кадров в секунду еще в 2014 году. К 2018 году команде удалось снимать со скоростью 10 триллионов кадров в секунду, используя усовершенствованную версию технологии под названием Т-ЧАШКА.
Теперь, в семь раз быстрее, Ван и его команда считают, что технология CUSP может быть использована для исследования сверхбыстрого мира фундаментальной физики и создания более компактной и чувствительной электроники.
«Мы предполагаем применение в широком спектре чрезвычайно быстрых явлений, таких как сверхкороткое распространение света, распространение волн, термоядерный синтез, перенос фотонов в облаках и биологических тканях, а также флуоресцентный распад биомолекул, среди прочего», — говорит Ван.
Другие команды используют различные типы технологий, чтобы запечатлеть эти мимолетные события на высокой скорости.