Инженеры из Канадского исследовательского центра INRS Énergie Matériaux Télécommunications разработали самую быструю в мире камеру, способную снимать с невероятной скоростью 156,3 триллиона кадров в секунду (fps).
Для сравнения, лучшие камеры с эффектом замедленной съемки в современных телефонах обычно снимают на скорости несколько сотен кадров в секунду, а профессиональные кинематографические камеры могут выдавать несколько тысяч кадров в секунду для достижения более плавного эффекта. Однако, чтобы увидеть процессы, происходящие на наноуровне, требуется гораздо более медленная съемка - миллиарды или даже триллионы кадров в секунду.
Квадриллионные доли секунды
Новая камера может фиксировать события, происходящие в фемтосекундном диапазоне - квадриллионных долях секунды. Для понимания масштаба, в одной секунде содержится столько же фемтосекунд, сколько секунд содержится в 32 миллионах лет.
Ученые усовершенствовали технологию, разработанную ими еще в 2014 году, известную как компрессионная сверхбыстрая фотография (CUP), которая могла снимать с "кажущейся сейчас незначительной" скоростью в 100 миллиардов кадров в секунду. Следующим этапом стала технология T-CUP, где "T" означает "триллион кадров в секунду" - она действительно была способна снимать до 10 триллионов кадров в секунду. Затем, в 2020 году, команда ученых усовершенствовала технологию до 70 триллионов кадров в секунду с помощью версии под названием компрессионная сверхбыстрая спектральная фотография (CUSP).
Теперь исследователям удалось снова более чем удвоить этот показатель, достигнув невероятной скорости 156,3 триллиона кадров в секунду. Новая камера называется "swept-coded aperture real-time femtophotography" (SCARF) и способна запечатлеть события, происходящие слишком быстро даже для предыдущих версий технологии. Это могут быть такие явления, как ударные волны, проходящие через материю или живые клетки.
Как это работает?
Принцип работы SCARF заключается в том, что сначала испускается ультракороткий лазерный импульс, который проходит через объект съемки. Если представить свет как радугу, то красные длины волн первыми зафиксируют событие, за ними оранжевые, желтые и далее по спектру до фиолетового. Поскольку событие происходит очень быстро, к тому времени, как каждый последующий "цвет" достигает его, оно уже выглядит иначе, что позволяет импульсу запечатлеть все изменения за невероятно короткий промежуток времени.
Затем этот световой импульс проходит через ряд компонентов, которые фокусируют, отражают, дифрагируют и кодируют его, пока он, наконец, не достигает сенсора камеры с ПЗС-матрицей (CCD). Затем он преобразуется в данные, которые могут быть реконструированы компьютером в окончательное изображение.
Хотя маловероятно, что обычные люди будут смотреть на высокоскоростные видеоролики с лопнувшими воздушными шарами, снятые с помощью систем SCARF, исследователи утверждают, что фиксация новых сверхбыстрых явлений может помочь развитию таких областей, как физика, биология, химия, материаловедение и инженерия.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
