Išradimas, kuris skamba kaip fantastika: patobulinta kamera su 1 trilijonu kadrų per sekundę – dabar galima užfiksuoti net pačios šviesos judėjimą, o 1 sekundę tokio įrašo tektų žiūrėti ilgiau nei 1000 metų

Kiek seniau nei prieš metus, Lihong Wang iš Caltech sukūrė sparčiausią pasaulyje kamerą, galinčią užfiksuoti 10 trilijonų kadrų per sekundę. Ji tokia sparti, kad netgi gali užfiksuoti sulėtintai sklindančią šviesą.

Bet kartais vien spartos nepakanka. Iš tiesų, net sparčiausiai kamera neįmanoma užfiksuoti dalykų, kurių nesimato. Šiam tikslui Wang, Bren Medicinos inžinerijos ir elektros inžinerijos profesorius, sukūrė kamerą, kuria per sekundę galima užfiksuoti 1 trilijoną permatomų objektų kadrų. Šią kamerą aprašantis straipsnis publikuotas sausio 17 dienosScience Advances žurnale.

Kameros technologija, kurią Wang vadina fazei jautria suspausta ultrasparčia fotografija (pCUP), galima daryti ne tik skaidrių objektų vaizdo įrašus, bet ir tokius efemeriškus reiškinius, kaip smūginės bangos ir gal net signalų sklidimą neuronais.

Ši nauja sistema apjungia didelės spartos fotografavimo sistemą, anksčiau sukurtą Wango, naudojant seną fazinio kontrasto mikroskopijos technologiją, kuri buvo sukurta siekiant geriau užfiksuoti skaidrius objektus, tokius kaip ląstelės, kurios sudarytos daugiausiai iš vandens.

Beveik prieš 100 metų olandų fizikos Fritso Zemike išrasta fazinio kontrasto mikroskopija, panaudoja šviesos sklidimo įvairiose medžiagose greičio skirtumą. Pavyzdžiui, jei šviesos spindulys sklinda per stiklą, patekęs į stiklą jis sulėtėja, o išlėkdamas iš stiklo – vėl pagreitėja. Dėl šių greičio pokyčių pasikeičia ir bangų sinchronizacija. Pasinaudojant keliomis optikos gudrybėmis, galima atskirti per stiklą sklidusią šviesą nuo per jį nesklidusios, ir taip stiklą, nors ir visiškai skaidrų, galima daug lengviau pastebėti.

„Mes pritaikėme standartinę fazinio kontrasto mikroskopiją labai sparčiam atvaizdų fiksavimui, tad, dabar galima fiksuoti skaidriose medžiagose vykstančius ultrasparčius reiškinius,“ pažymi Wangas.

Spartaus vaizdų fiksavimo užduotį sistemoje atlieka technologija, kurią Wangas vadina bepraradiminio kodavimo suspausta ultrasparčia technologija (lossless encoding compressed ultrafast technology – LLE-CUP). Kitaip nei dauguma ultrasparčių video technologijų, kur atvaizdų serija gaunama, kartojant įvykius, LLE-CUP sistema atlieka vieną kadrą, užfiksuodama visą tuo metu vykusį judėjimą. Kadangi vieną kadrą padaryti galima daug greičiau nei daug kadrų, LLE-CUP galima užfiksuoti tokį judėjimą, kaip pačios šviesos judėjimas, kuris įprastesnėms kamerų technologijomis yra nepasiekiamas.

Naujame straipsnyje Wangas su kolegomis demonstruoja pCUP galimybes, užfiksuodami smūginių bangų sklidimą per vandenį ir lazerio spindulio sklidimą per kristalinę medžiagą.

Šia technologija, nors dabar dar vystoma, galiausiai galės būti panaudota daugelyje sričių, įskaitant fiziką, biologiją ar chemiją, įsitikinęs Wangas.

„Signalui sklindant neuronais, nervų gija šiek tiek išsiplečia, ir tai tikimės išvysti. Jei stebėtume neuronų tinklą, galbūt galėtume matyti, kaip jie bendrauja realiu laiku,“ sako Wangas. Be to, kadangi temperatūra keičia fazių kontrastą, sistema „gali pavykti užfiksuoti liepsnos fronto sklidimą degimo kameroje“, priduria jis.

Straipsnis, aprašantis pCUP, pavadintas „Picosecond-resolution phase-sensitive imaging of transparent objects in a single shot.“