Мир, окружающий нас, полон движения, но многие его аспекты протекают с такой скоростью, что остаются незамеченными. Взрыв пузырька, удар молнии, химическая реакция – все эти явления происходят за доли секунды, оставляя после себя лишь видимые последствия, но не сам процесс. Несколько лет назад стало известно о создании физиками камеры, способной регистрировать события со скоростью триллион кадров в секунду. Эта технология позволяет наблюдать процессы, протекающие в прозрачных объектах, таких как распространение ударной волны в воде или движение света в кристалле. Статья, посвященная этой разработке, была опубликована в журнале Science Advances. Высоскоростная съемка уже давно используется учеными для изучения деформации материалов под воздействием удара, траектории движения пули или начальной стадии ядерного взрыва.
Распространение ударной волны в воде
Однако значительная часть интересных для исследования процессов протекает в прозрачных или полупрозрачных средах, таких как воздушные вихри, ударные волны или химические реакции. Создание камеры, способной зафиксировать эти явления, потребовало не только достижения высокой частоты кадров, но и адаптации технологии фазово-контрастной микроскопии, применяемой для изучения бесцветных объектов.
Разработанная под руководством профессора Лихона Вана из Калифорнийского технологического института камера получила название pCUP (phase-sensitive compressed ultrafast photography).
pCUP наследует ключевую особенность своего предшественника, камеры LLE-CUP. В отличие от обычных сверхбыстрых камер, она не делает много снимков с высокой частотой. Вместо этого снимается всего один кадр, но используемая в pCUP матрица записывает любое изменение картинки в период пока он длится. Это позволяет ускорить съемку в несколько раз.
Другой особенностью pCUP является использование фазово-контрастной съемки. В основном, мы видим объекты потому, что они изменяют яркость или цвет света. Прозрачные и бесцветные предметы, как воздух или стекло, мы замечаем благодаря эффектам преломления и отражения, но далеко не всегда, и заметить тонкий слой воды или очень чистое стекло под прямым углом к поверхности почти невозможно. Для фазово-контрастной съемки прозрачность объекта не является помехой, она фиксирует не яркость и не цвет, а сдвиг фаз света.
Скорость распространения света различна для разных сред и материалов. Попадая из воздуха в стекло, световая волна замедляется. Изменяется скорость света и при разных температуре или плотности. Если даже представить себе абсолютно прозрачный предмет, то замедление им световой волны сдвинет ее фазу. Этот сдвиг фазы можно сделать видимым, сконструировав систему линз и, таким образом, увидеть и сам предмет.
Движение светового импульса в кристалле. Caltech
Ранее ученые изобрели рентгеновскую киносъемку, позволяющую увидеть внутреннюю структуру объектов в динамике. Также для наблюдения за движущимися клетками были приспособлены атомно-силовые микроскопы.
Новые успехи сверхбыстрой видеосьемки
Однако ученые не сдаются и разрабатывают все более совершенные инструменты, чтобы заглянуть в этот скрытый мир сверхбыстрых явлений. Одним из таких инструментов стала камера SCARF, созданная командой профессора Цзиньян Ляна из Национального института научных исследований (INRS) в Канаде.
SCARF способна снимать со скоростью 156,3 триллиона кадров в секунду — это в миллионы раз быстрее, чем обычная камера! Такая скорость позволяет увидеть то, что раньше было недоступно: например, как электроны «прыгают» между атомами в процессе химической реакции, или как ударная волна распространяется по живой клетке.
Не ждите от неё видео лопающихся шариков и пробивающих яблоко пуль — для неё это всё очень медленно и скучно. Новая камера фиксирует, как импульс света вязнет в пространстве, что поможет в материаловедении, физике, биологии и в других науках.
Центр INRS развивает собственную технологию высокоскоростной съёмки, основа для которой была создана десять лет назад. За это время специалисты последовательно подняли скорость со 100 млрд кадров в секунду (камера CUP) до 10 трлн (T-CUP) и 70 трлн (CUSP или compressed ultrafast spectral photography). Новая модификация платформы (камерой это трудно назвать) позволяет снимать процессы со скоростью 156,3 трлн кадров в секунду. Установка стала называться SCARF или «фемтофотография в реальном времени с кодированной диафрагмой».
Камера SCARF испускает «чирпированный» сверхкороткий импульс лазера, в котором частота изменяется в пределах импульса, который затем проходит через изображаемое событие или объект. По факту происходит следующее: аппарат фиксирует событие сначала на красных длинах волн, затем на оранжевых, желтых и далее по спектру до фиолетового. Поскольку событие происходит очень быстро, к тому времени, когда до него доходит каждый последующий «цвет», оно выглядит по-другому, что позволяет импульсу запечатлеть всё происходящее в целом за невероятно короткий промежуток времени — условно спектрально растянуть время, чем это позволил бы «монолитный» импульс.
После этого весь спектр пропускается через систему отражений, фокусировки, диафрагмирования и кодирования и лишь затем подают на сенсор в виде ПЗС-матрицы. Дальше всё просто — данные передаются в компьютер, и там изображение принимает свою форму, понятную для взгляда пользователя. В чистом виде съёмка с подобной скоростью работает в пределах событий, длящихся не более одной фемтосекунды. Если представить понятные для человека масштабы, то в одной секунде фемтосекунд столько же, сколько секунд проходит в течение 32 млн лет.
Ожидается, что новая камера позволит разглядеть такие явления, как ударные волны, проходящие сквозь материю или живые клетки. Работа опубликована в журнале Nature Communications. Выше можно посмотреть видео работы одной из предыдущих версий установки для съёмки со скоростью 10 трлн кадров в секунду.
