
Японские ученые во главе с Кеичи Накагавой (Keiichi Nakagawa) из Токийского университета разработали новую высокоскоростную камеру, делающую в тысячу раз больше кадров в секунду, чем существующие аналоги. Ранний, менее совершенный вариант этого устройства был описан исследователями в Nature Photonics, результаты новой работы приводятся в пресс-релизе Американского оптического общества.
Новая технология съемки получила название STAMP ( Sequentially Timed All-optical Mapping Photography, «Последовательно синхронизированная полностью оптическая фотография»). Во всех подсистемах камеры используются только оптические компоненты, работающие со скоростями сравнимыми со скоростью света.
Принцип работы STAMP заключается в следующем. Сперва фемтосекундный лазер испускает короткий импульс, который затем попадает в «растягиватель» импульса, затем – в систему из нескольких зеркал, линзы и решетки. Последняя пропускает только «куски» предварительно растянутого светового импульса и каждый из этих кусков имеет различающуюся длину волны. Те, что были ближе к «голове» некогда единого импульса остаются красными, а те, что были ближе к «хвосту» – ближе к фиолетовому:
Аналогичным образом солнечный свет по разному преломленный и отраженный капельками дождя или тумана порождает радугу. На видео выше показана ранняя, упрощенная схема камеры, где начальный импульс раскладывался всего на полдюжины компонентов. Теперь же исследователи добились его разложения на 25 компонентов разных длин волн. После того, как эти компоненты последовательно взаимодействуют со снимаемым объектом, они попадают в систему улавливающих зеркал, дополнительно наращивающих паузы между этими компонентами. Это необходимо в том числе и потому, что ПЗС-матрица, находящаяся в конце камеры, без разноса отдельных световых сигналов в пространстве и времени просто не успеет корректно их обработать.
Затем, фиксируя прибытие света от вспышек на регистрирующий прибор, ученые вычисляли положение наблюдаемого объекта в 25 разных моментов времени (соответствующих кадрам), поскольку свет разных длин волн подходил к снимаемому объекту не одновременно.
Скорость работы обычных высокоскоростных камер ограничена скоростью механических или электронных компонентов, работающих (в сравнении со скоростью света) чрезвычайно медленно. Проблему можно обойти при помощи фемтосекундных лазеров, использующих накачку среды сверхкороткими импульсами длительностью в квадриллионные доли секунды. Однако такой метод позволяет сделать не больше одного кадра за раз, а значит его практическое применение ограничено процессами, которые всегда воспроизводятся одинаково. Ранее произвести многокадровую съемку не повторяющихся событий удавалось лишь для быстро перемещающихся в пространстве объектов, таких как лазерный луч (неподвижные объекты так снять не получится), причем со скоростями не быстрее 100 миллиардов кадров в секунду.
Как отмечает Накагава, многие физические и биологические процессы, происходящие в одном небольшом стационарном объекте, на практике чрезвычайно трудно воспроизвести. Когда он делал диссертацию по быстротекущим процессам протекающим в живой клетке, ученый столкнулся с тем, что заснять распространение звуковых волн в небольших клеточных органеллах практически нечем. Все это и побудило исследователей обратиться к созданию камеры, которая могла бы сделать много кадров стационарного объекта за один заход, при этом за очень короткий промежуток времени.
Накагава полагает, что в будущем его группе удастся добиться разложения света фемтосекундного источника на 100 компонентов с разной длиной волны (цветом), что позволит создавать «фильмы» длиной до сотни кадров. Пока же за один раз нельзя снять более 25 кадров. К тому же аппарат нельзя использовать для изучения материалов, которые по-разному взаимодействуют со светом разной длины волны.
Тем не менее, даже с этими ограничениями группа Накагавы считает потенциал новой фемтосекундной камеры огромным. С его помощью впервые удалось наблюдать распространение электронов и вибрацию кристаллической решетки в ниобате лития, которая происходит со скоростью 50 тысяч километров в секунду. Разработчики полагают, что такая камера позволит заснять процесс начала термоядерного синтеза и даже кулоновский взрыв, происходящий когда мощный лазерный луч превращает небольшое количество твердого материал в облачко ионизированных частиц.
