Ученые представили камеру, способную делать снимки со скорость 156 триллионов кадров в секунду

Самая быстрая камера в мире может снимать кадры со скоростью 156 триллионов кадров в секунду (fps). Новое устройство использует оптическую технологию для захвата 132 кадров за один импульс сверхбыстрого лазера. Создатели описали новое устройство в статье для журнала Nature Communications.

Эта позволит записывать явления, происходящие за фемтосекунды — одну квадриллионную секунды. Технология может предоставить ценную информацию, которая повлияет на различные области исследований, от создания новых технологий компьютерной памяти до ультразвукового лечения.

"Эта камера - больше, чем просто игрушка, на самом деле это очень важное научное оборудование, - комментирует ведущий автор Цзиньян Лян, адъюнкт-профессор оптики Национального института научных исследований (INRS) в Квебеке. - Мы находимся на пороге разработки универсальной системы визуализации, которая позволит нам увидеть множество ранее недоступных явлений".

Основная проблема при съемке сверхбыстрых явлений заключается в том, что даже самые быстрые датчики камеры могут снимать кадры со скоростью всего несколько сотен миллионов кадров в секунду. Но многие события в природе происходят во временных масштабах на пять-шесть порядков быстрее.

Стандартный подход к съемке сверхбыстрых явлений заключается в том, чтобы направить на них лазерный импульс, а затем измерить, сколько света отражено или поглощено. Это повторяется много раз, каждый из которых нацелен на разные временные интервалы, разделенные всего несколькими фемтосекундами. Но этот подход "накачки и зондирования" работает только для статических выборок или точно воспроизводимых явлений.

И, хотя специальные оптико-электронные датчики достигли скорости 10 триллионов кадров в секунду, этого все еще недостаточно. В 2020 году Лян стал соавтором статьи о подходе под названием "сжатая сверхбыстрая фотография", который позволил достичь скорости 70 триллионов кадров в секунду.

И теперь его лаборатория более чем удвоила этот рекорд с помощью подхода, который они назвали "фемтофотография со скользящей кодированной диафрагмой в реальном времени". 

Новый подход основан на специальном источнике света, известном как "чирпированный" лазер, открытие которого удостоилось Нобелевской премии по физике в 2018 году. В этих лазерах длины волн света растянуты таким образом, что свет разных цветов поступает в разное время.

Это означает, что когда импульс от этого лазера направляется на объект, каждая длина волны фиксирует информацию в разные моменты времени. В установке Ляна свет затем проходит через решетку, которая разделяет длины волн и направляет их в разных направлениях. Затем они проходят через маску, которая выглядит как QR-код.

При этом на каждой длине волны отображается немного отличающийся рисунок, который, по словам Ляна, действует как "штрих-код" для разделения их при постобработке. Затем другая решетка рекомбинирует все длины волн в единый луч, который попадает на датчик изображения.

Специально разработанное программное обеспечение использует штрих-коды для определения того, какие части сигнала поступают с какой длиной волны — каждая из них относится к разным моментам времени. Это позволяет разбить один снимок на несколько кадров для создания короткометражного фильма. В настоящее время этот подход позволяет снимать фильмы длиной только в 132 кадра, что составляет до 850 фемтосекунд, но команда уже показала, что с его помощью можно запечатлеть интересные явления.

В своей статье они использовали свою установку для записи полупроводника, поглощающего фотоны от лазерного импульса, а также лазера, используемого для размагничивания пленки из сплава. По словам Ляна, последнее важно для разработки новой вычислительной памяти, основанной на магнетизме. "Скорость, с которой мы можем размагничивать магнитный материал, по сути, определяет, насколько быстро мы можем записывать или считывать данные", - заключает он.