Verdens hurtigste kamera fryser tiden med 10 billioner billeder i sekundet

Hvad sker der, når en ny teknologi er så præcis, at den fungerer på en skala ud over vores karakteriseringsevner? For eksempel, laserne, der bruges på INRS, producerer ultrakorte pulser i femtosekundområdet (10 ^-15 s), som er alt for kort til at visualisere. Selvom nogle målinger er mulige, intet slår et klart billede, siger INRS-professor og ultrahurtig billedbehandlingsspecialist Jinyang Liang. Han og hans kolleger, ledet af Caltechs Lihong Wang, har udviklet det, de kalder T-CUP:verdens hurtigste kamera, i stand til at fange 10 billioner (10 ¹³ ) billeder pr. sekund (fig. 1). Dette nye kamera gør det bogstaveligt talt muligt at fryse tiden for at se fænomener – og endda lys – i ekstrem slowmotion.

I de seneste år, krydsfeltet mellem innovationer inden for ikke-lineær optik og billeddannelse har åbnet døren for nye og højeffektive metoder til mikroskopisk analyse af dynamiske fænomener i biologi og fysik. Men at udnytte potentialet i disse metoder kræver en måde at optage billeder i realtid med en meget kort tidsmæssig opløsning - i en enkelt eksponering.

Ved at bruge nuværende billedbehandlingsteknikker, målinger taget med ultrakorte laserimpulser skal gentages mange gange, som er passende for nogle typer inerte prøver, men umuligt for andre mere skrøbelige. For eksempel, lasergraveret glas kan kun tolerere en enkelt laserpuls, efterlader mindre end et picosekund til at fange resultaterne. I et sådant tilfælde, billeddannelsesteknikken skal kunne fange hele processen i realtid.

Komprimeret ultrahurtig fotografering (CUP) var et godt udgangspunkt. Med 100 milliarder billeder i sekundet, denne metode nærmede sig, men mødtes ikke, de specifikationer, der kræves for at integrere femtosekund-lasere. For at forbedre konceptet, det nye T-CUP-system blev udviklet baseret på et femtosecond streak-kamera, der også inkorporerer en dataopsamlingstype, der bruges i applikationer såsom tomografi.

"Vi vidste, at ved kun at bruge et femtosecond streak-kamera, billedkvaliteten ville være begrænset, " siger professor Lihong Wang, Bren-professoren i medialteknik og elektroteknik ved Caltech og direktøren for Caltech Optical Imaging Laboratory (COIL). "Så for at forbedre dette, vi tilføjede endnu et kamera, der optager et statisk billede. Kombineret med billedet optaget af femtosecond streak-kameraet, vi kan bruge det, der kaldes en Radon-transformation til at opnå billeder i høj kvalitet, mens vi optager ti billioner billeder i sekundet."

Sætter verdensrekord for billedhastighed i realtid, T-CUP kan drive en ny generation af mikroskoper til biomedicinske, materialevidenskab, og andre applikationer. Dette kamera repræsenterer et fundamentalt skift, gør det muligt at analysere interaktioner mellem lys og stof i en uovertruffen tidsmæssig opløsning.

Første gang den blev brugt, det ultrahurtige kamera brød ny vej ved at fange den tidsmæssige fokusering af en enkelt femtosekund laserpuls i realtid (fig. 2). Denne proces blev optaget i 25 billeder taget med et interval på 400 femtosekunder og detaljerede lyspulsens form, intensitet, og hældningsvinkel.

"Det er en præstation i sig selv, " siger Jinyang Liang, den førende forfatter til dette værk, som var ingeniør i COIL, da forskningen blev udført, "men vi ser allerede muligheder for at øge hastigheden til op til en quadrillion (10 exp 15) billeder pr. sekund!" Sådanne hastigheder vil helt sikkert give indsigt i hidtil uopdagelige hemmeligheder om samspillet mellem lys og stof.