Похоже на Сатурн

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 временного 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 (10^15 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 временную 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 временное 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 временное 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.

Схема записи изображения с помощью метода CUP

В результате ученые научились записывать процессы с временным 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 (10^15) кадров в секунду. Такие высокие скорости позволят детально изучить необратимые химические реакции и исследовать динамику наноструктур. Ранее метод CUP позволял получить временное разрешение не выше 100 миллиардов кадров в секунду.

С каждым годом ученые все больше и больше увеличивают временное 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 временного разрешения, ученые много раз облучали атом гелия инфракрасным и ультрафиолетовым лазером, а затем тщательно анализировали процесс поглощения и переизлучения фотонов.

https://nplus1.ru/news/2018/10/15/10-trillion-camera?utm_ref...