Исследователи из Японии разработали новую высокоскоростную камеру, которая может записывать события со скоростью более 1 триллиона кадров в секунду. Эта скорость более чем в тысячу раз выше, чем у обычных высокоскоростных камер. Новая технология камеры, получившая название STAMP (полностью оптическая картографическая фотография с последовательной синхронизацией), «открывает большие перспективы для изучения разнообразного спектра ранее не исследованных сложных сверхбыстрых явлений», — сказал Кейичи Накагава, научный сотрудник Токийского университета, который работал над разработкой фотоаппарат с коллегами из множества японских исследовательских институтов.Обычные высокоскоростные камеры ограничены скоростью обработки их механических и электрических компонентов.
STAMP преодолевает эти ограничения, используя только быстрые оптические компоненты.Другой метод оптической визуализации, называемый методом накачки-зондирования, может создавать фильмы с даже более высокой частотой кадров, чем STAMP, но может захватывать только один кадр за раз, ограничивая его использование процессами, которые точно воспроизводятся.
«Многие физические и биологические явления трудно воспроизвести», — сказал Накагава. «Это вдохновило меня на работу над сверхбыстрой камерой, которая могла бы делать несколько кадров за один снимок».Сам Накагава испытал потребность в такой камере, когда был студентом магистратуры, изучая, как акустические ударные волны меняют живые клетки. Ученые считают, что механическое напряжение, подобное тому, которое вызывается акустическими волнами, может увеличить рост костей и кровеносных сосудов, но у них не было инструментов для фиксации динамики такого быстрого временного события, как ударная волна, проходящая через клетку.«Поскольку не было подходящей техники, я решил разработать новую технику высокоскоростной визуализации в своей докторской программе», — сказал Накагава.
STAMP полагается на свойство света, называемое дисперсией, которое можно наблюдать так, как туманное небо разделяет солнечный свет на радужные цвета. Точно так же STAMP разбивает ультракороткий импульс света на поток разноцветных вспышек, которые быстро падают на объект.
Затем каждую отдельную цветовую вспышку можно проанализировать, чтобы связать воедино движущееся изображение того, как объект выглядел за время, которое потребовалось рассеянному световому импульсу, чтобы пройти через устройство.В первой итерации STAMP, которую команда описала в статье, опубликованной в Nature Photonics в августе 2014 года, количество кадров, которые камера могла сделать за один снимок, было ограничено шестью.В настоящее время команда создает улучшенную систему STAMP, которая может получать 25 последовательных изображений.
Накагава считает, что количество кадров в конечном итоге может быть увеличено до 100 с помощью современных технологий.Накагава отмечает, что, поскольку STAMP работает в предположении, что все дочерние импульсы разного цвета взаимодействуют с отображаемым объектом одинаково, камеру не следует использовать для изображения образцов, оптические свойства которых изменяются в диапазоне длин волн, который использует STAMP.Накагава говорит, что даже с учетом ограничений STAMP эта технология имеет огромный потенциал. Его команда уже использовала его для изображения электронного движения и колебаний решетки в кристалле ниобата лития, а также для наблюдения за тем, как лазер, сфокусированный на стеклянной пластине, создает горячий, быстро расширяющийся шлейф плазмы.
Накагава отмечает, что камеру можно использовать для исследования широкого спектра сверхбыстрых явлений впервые, включая лазерное зажигание термоядерного синтеза, фазовый переход материалов и динамику кулоновского взрыва, события, в котором сильные электромагнитные поля ( например, от узкого лазерного луча) может заставить небольшое количество твердого материала взорваться и превратиться в горячую плазму ионизированных атомных частиц.«Думаю, важно отметить, что у STAMP может быть много потенциальных применений, о которых я даже не догадывался», — сказал Накагава. «Я надеюсь, что STAMP заинтересует больше исследователей».