Каждую секунду вокруг нас протекает множество физических и химических процессов, которые крайне сложно зафиксировать. Сложность заключается не только в габаритах участвующих объектов, но и в скорости самих процессов. В современных исследованиях большую роль играет скоростная съемка, позволяющая запечатлеть сверхбыстрые динамические явления. Но даже у такой технологии есть свой предел, который утрировано можно обозначить кадрами в секунду.

Ученые из университета Шэньчжэня (Китай) смогли создать исключительно оптическую систему, способную достичь 15 триллионов кадров в секунду. Какие техники и явления были использованы в данной разработке, что показали практические опыты, и где данное творение может найти свое применение? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Высокоскоростная визуализация является неотъемлемым инструментом изучения таких шустрых динамических процессов как фемтосекундная лазерная абляция, распространение лазерных филаментов, молекулярная динамика, взаимодействие ударных волн в живых клетках и т.д.

Вполне ожидаемо, что сверхбыстрая оптическая визуализация, которая может обеспечить визуализацию переходных процессов без размытия, является желанным инструментом для ученых из самых разных областей науки (химия, физика, оптическая инженерия, материаловедение, биомедицина и т.д.).

На данный момент уже существует ряд методик, позволяющих достичь вполне неплохих результатов в области оптической визуализации. К примеру, визуализация с временным разрешением, основанная на методах накачки и зондирования, отлично справляется с воспроизводимой переходной динамики с высокой частотой повторения. Однако данная методика теряет свои преимущества при работе с процессами, которые имеют низкую частоту повторения или не повторяются вовсе.

Заменить метод накачки-зондирования можно однократной оптической визуализацией. В некоторых работах удавалось даже достичь 25 миллионов кадров в секунду (Mfps). А вот сжатая сверхбыстрая фотография (CUP от compressed ultrafast photography) может работать с частотой кадров 0.1 триллиона кадров в секунду (Tfps) с временным разрешением ~ 50 пс за счет применения алгоритма на основе алгоритма компрессионного зондирования (compressive sensing).

Компрессионное зондирование (compressive sensing) — методика получения и восстановления сигнала за счет знания о его предыдущих значениях, которые разрежены или сжаты.

Пространственное разрешение такого метода может быть масштабировано до 7 lp/mm (пар линий на миллиметр, далее — пл/мм). Если же добавить 20х объектив, то получится фазочувствительная сжатая сверхбыстрая фотография (pCUP), способная выдать пространственное разрешение в несколько микрометров и скорость визуализации в 1 Tfps. В такой методики можно достичь хороших показателей пространственного разрешения, чего нельзя сказать о временном разрешении.

Следовательно, необходим метод, который сможет объединить сильные стороны вышеописанных методов воедино.

По заверению ученых, отличным кандидатом на эту роль подходит оптическое параметрическое усиление (OPA от optical parametric amplification). Применяя OPA к оптическому изображению, информацию, содержащуюся в сигнале, можно скопировать на «холостое» изображение.

Данная особенность вдохновила ученых на создание нового метода однократной сверхбыстрой оптической визуализации, названного формированием изображения посредством неколлинеарного оптического параметрического усиления (FINCOPA от framing imaging based on noncollinear optical parametric amplification; NCOPA от noncollinear optical parametric amplification).