カメラは毎秒10兆フレームの速度でレーザーパルスの動きをキャプチャしました

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ビデオ: キーエンス | 「ギアの噛み合わせ」高速度カメラ動画 2022, 12月
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Anonim
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米国とカナダの物理学者は、毎秒約10兆フレームの速度で電磁波を記録するカメラを構築しました。つまり、約100フェムト秒の間隔で分離されたイベントを区別できます。これを行うために、科学者は3次元プロセスのフラットな投影を記録し、最適化問題を解決して元の画像を復元しました。この記事はNatureLightに掲載されており、無料で入手できます。

私たちが慣れ親しんでいるプロセスのほとんどは比較的遅いので、毎秒約30〜60フレームの周波数で動作する従来のカメラを使用して簡単にキャプチャできます。ただし、物理学および生物学の一部のプロセスでは、はるかに高い時間分解能が必要です。特に、原子からの電子の「分離」を見たり、毎秒約20万キロメートルの速度で物質を伝播する光波の動きを記録したりするには、次の周波数で動作するカメラを使用する必要があります。 1秒あたり1兆フレーム以上。そのようなカメラは長い間存在していたという事実にもかかわらず、それらはそれらの適用分野を厳しく制限する欠点を持っています。

現在、超高速分光法プロセスを記録する最も普及している方法は、レーザーによるサンプルの励起とそれに続くその「応答」の測定に基づいています。これらは、いわゆるポンププローブ測定です。この方法ではフェムト秒の時間分解能(1015フレーム/秒)を達成できますが、調査中のプロセスが時間内にかなり正確に再現される場合にのみ機能します。大まかに言えば、ポンピングプロービング測定中、「ムービー」は次のスキームに従って撮影されます。まず、科学者はフェムト秒レーザーのフラッシュを使用してプロセスの最初のフレームを「フラッシュ」します。プロセスが完了すると、研究者はそれを再起動し、2番目のフレームを「フラッシュ」して、フラッシュを数フェムト秒遅らせます。次に、実験者はこれらの手順をさらに何度も繰り返し、フレームを接着します。残念ながら、すべてのプロセスが時間内に正確に再現されるわけではありません。たとえば、生物学的プロセスはほとんど偶然に発生します。さらに、測定精度を向上させるために、光学システムを非常に微調整して、最初のレーザーパルスでパラメーターを変更することができ、プロセスを再現することはできません。このような場合、ポンププローブ測定は実行できません。

一方、超高速プロセスを観察するには、電気力学方程式の時空双対性を使用できます。簡単に言えば、双対性により、光パルスの時間スキャンを空間スキャンに変換し、それを従来の写真乾板に書き留めることができます。プロセスの「フレーム」が早く配置されるほど、その画像は写真乾板の始点に近くなります。ストリークカメラは、この方程式の特性に基づいており、光電陰極からの光のパルスによってノックアウトされた電子を使用して画像を作成します。最新のスリットカメラは、毎秒約1兆フレームの速度でパルスを記録できます。もちろん、そのようなカメラは、反復的なだけでなく、単一のプロセスも記録することができます。ただし、スリットカメラで生成される画像の品質は比較的低いため、物理学者は他の方法でその時間的および空間的解像度を向上させようとしています。

Jinyang Liangが率いる科学者のグループは、スリットカメラと圧縮超高速写真を使用した圧縮センシングを組み合わせ、毎秒約10兆フレームの速度でプロセスを登録する方法を学びました。これを行うために、研究者は次のスキームを順守しました。最初に、物理学者はプロセスに関する「生の」データを収集しました。このために、プロセスから発せられる光線を2つの部分に分割し、その2つの画像を記録しました。最初のビームの画像は、2次元マトリックスによって直接記録され、実際には、固定角度の2次元ラドン変換が生成されました。ラドン変換R(s、α)は、ベクトル(cosα、sinα)に垂直で、原点から距離sで通過する直線に沿った関数の積分です。本質的に、ラドン変換はフーリエ変換に似ています(特に、可逆的です)。 2番目のビームは、疑似ランダムバイナリパターン(図の黒と白のプレート)を通過し、時間的にシフトされ、スリットカメラで展開され、別のマトリックスで記録されました。この画像は、スリットチャンバーのせん断速度に依存する角度のラドン変換と考えることができます。したがって、科学者は1つのステップで、3次元の動的シーン(2つの空間+ 1つの時間次元)の2つの2次元投影を記録しました。最後に、物理学者は、元のプロセスの3次元画像をその投影から再構築し、最適化問題を解決しました。つまり、変換の既知の結果を使用して、目的の強度分布の汎関数を最小化しました。

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CUP法を使用した画像記録方式

その結果、科学者は毎秒0.5〜10兆フレームの範囲の時間分解能でプロセスを記録することを学びました。実際には、このような「フィルム」の長さは350フレーム(つまり、約10ピコ秒)に達し、各フレームの寸法は450×150ピクセルでした。科学者たちは、大量のデータをこれほど迅速に記録できるストレージを見つけることができなかったため、より長い「フィルム」を作成することができませんでした。

一例として、物理学者は、波長が約800ナノメートル、持続時間が約50フェムト秒のレーザーパルスが2ミリメートルのガラス板(屈折率n≈1.5)を通過し、2つのビームに分割される様子を撮影しました。理論的な推定によれば、光がそのようなプレートを通過するのに約10ピコ秒かかります。実際には、科学者は9、6ピコ秒を受け取り、プロセスのビデオも録画しました。

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ガラス板を通るフェムト秒レーザーパルスの通過

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2つのミラーからのフェムト秒レーザーパルスの反射

この記事の著者は、この作業で使用した方法により、理論的には1秒あたり4兆(1015)フレームを超える速度で「映画」を記録できると主張しています。このような高率は、不可逆的な化学反応を詳細に研究し、ナノ構造のダイナミクスを調査することを可能にします。以前は、CUP方式では、1秒あたり1,000億フレーム以下の時間分解能を取得できました。

科学者たちは毎年、光の衝撃波の動きなど、超高速のプロセスをキャプチャするカメラの時間分解能をますます高めています。そのため、2015年には、カメラの最大「発射速度」が初めて1兆フレーム/秒を超え、2017年春には5兆フレーム/秒に達しました。現在、記録されている最短時間は約850ゼプト秒(8.5×10-19秒)です。このような優れた時間分解能を実現するために、科学者はヘリウム原子に赤外線レーザーと紫外線レーザーを何度も照射し、吸収と再吸収のプロセスを注意深く分析しました。 -フォトンの放出..。

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