При включении лазерной указки кажется, что ее луч появляется мгновенно. Однако на самом деле фотоны «выстреливают» из нее примерно так же, как это происходит с водой, бегущей из-под крана или из шланга, просто двигаются частицы света настолько быстро, что человеческий глаз не в состоянии заметить это движение. Группа ученых из Калифорнийского технологического института (США), а также Университета Квебека (Канада) создали самую быструю в мире камеру, способную снимать до 10 триллионов кадров в секунду – достаточно для того, чтобы «заморозить время» и производить съемку фотонов лазерного луча, двигающего сквозь пространство.

В последние годы инновации в нелинейной оптике и визуализации открыли двери для новых и высокоэффективных методов микроскопического анализа динамических явлений в биологии и физике. Однако использование потенциала этих методов требует способа записи изображений в реальном времени с очень коротким временным разрешением — за одну экспозицию.

При использовании современных методов визуализации, измерения, проводимые с помощью сверхкоротких лазерных импульсов, должны повторяться много раз, что подходит для некоторых типов инертных образцов, но невозможно для других более хрупких. Например, лазерное гравированное стекло может переносить только один лазерный импульс, оставляя менее пикосекунды на то, чтобы фиксировать результаты. В этом случае метод визуализации должен иметь возможность фиксировать весь процесс в реальном времени.

Отправной точкой для создания невероятной камеры, которая позволит это сделать и о которой ученые рассказали в журнале Light: Science & Applications стала технология сжатой сверхбыстрой фотографии (CUP). При 100 млрд кадров в секунду этот метод приближался, но не соответствовал спецификациям, необходимым для интеграции фемтосекундных лазеров. Для перехода на новый уровень возможностей ученые разработали новую систему T-CUP. В ее основу легла фемтосекундная полосовая камера, которая также включает в себя тип сбора данных, используемый в таких приложениях, как томография.

«Мы знали, что с использованием только фемтосекундной полосовой камеры качество изображения будет ограничено», — комментирует Лихонг Ванг, глава лаборатории оптической визуализации из Калифорнийского технологического института.

«Чтобы улучшить это, мы добавили еще одну камеру, которая приобретает статическое изображение. В сочетании с изображением, полученным камерой фемтосекундной полосы, мы можем использовать так называемое преобразование Радона для получения высококачественных изображений при записи десяти триллионов кадров в секунду».

Визуализация в реальном времени временной фокусировки на фемтосекундном лазерном импульсе со скоростью съемки 2,5 триллиона кадров в секунду

Установив мировой рекорд скорости изображения в реальном времени, камера T-CUP может лечь в основу микроскопов нового поколения для биомедицины, материаловедения и других приложений. Эта камера представляет собой фундаментальный сдвиг, позволяющий анализировать взаимодействия между светом и веществом при беспрецедентном временном разрешении.

Ученые не планируют на этом останавливаться:

«Это большой шаг вперед, но мы уже видим потенциал увеличения скорости съемки до 1 квадриллиона кадров в секунду», — добавляют ученые.