كاميرا فائقة السرعة

طور علماء من المعهد القومي للبحوث (كندا) ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أسرع كاميرا فيديو T-CUP في العالم ، والتي يتم تصويرها بسرعة 10 درجات ، أي 10 تريليون إطار في الثانية. يتيح لك هذا الجهاز تجميد الوقت حرفيًا ، أي تصور الظواهر (وحتى الخفيفة) بوتيرة بطيئة جدًا.

تفتح الكاميرات عالية السرعة الباب أمام طرق جديدة وفعالة للغاية للتحليل المجهري للظواهر الديناميكية في علم الأحياء والفيزياء. على سبيل المثال ، يمكنك دراسة العمليات في خلية حية أو حركة الجزيئات بالتفصيل.


مبدأ تشغيل كأس T-CUP

تستخدم الكاميرا أشعة ليزر تنتج نبضات فائقة القصر في نطاق الفيمتو ثانية ( ^10-15 ثانية). Femtolazers ليست سوى نصف المعركة. لاستخدامها في كاميرا الفيديو ، يجب أن تكون هناك طريقة لتسجيل الصور في الوقت الحقيقي وبدقة زمنية قصيرة جدًا. أصبح إنشاء T-CUP ممكنا بفضل الابتكارات في مجال البصريات وتقنيات التصوير غير الخطية.

باستخدام طرق التصور الحديثة ، يجب تكرار القياسات باستخدام نبضات الليزر فائقة القصر عدة مرات ، وهو مناسب لبعض أنواع العينات الخاملة ، ولكنه مستحيل بالنسبة للبعض الآخر الأكثر هشاشة. على سبيل المثال ، يمكن لنقش الزجاج بالليزر أن يتحمل نبضة ليزر واحدة فقط ، لذا فإن الباحثين لديهم أقل من بيكو ثانية لالتقاط النتائج. بمعنى آخر ، يجب أن تكون طريقة التصور قادرة على تغطية العملية بأكملها في الوقت الفعلي.

يعد التصوير المضغوط فائق السرعة (CUP) نقطة انطلاق جيدة. سمحت هذه الطريقة للوصول إلى 100 مليار إطار في الثانية ، وقد تم وصفها في حبري في 2014. ومع ذلك ، كان للتكنولوجيا قيود أساسية ، للتغلب على تطوير نظام T-CUP المحسن ، مما زاد من السرعة بعدة أوامر من الحجم. يتم استخدام كرونوغراف فمتو ثانية عالي السرعة هنا بالفعل ، كما هو الحال في التصوير المقطعي ، بالاشتراك مع كاميرا تسجل صورة ثابتة. في هذا المزيج ، تمكن الباحثون من استخدام ما يسمى تحويل الرادون للحصول على صور عالية الجودة تصل إلى عشرة تريليون إطار في الثانية (تحويل الرادون هو تحويل متكامل لوظيفة العديد من المتغيرات ، على غرار تحويل فورييه).


عملية التركيز المؤقت لنبضة ليزر واحدة من الفيمتو ثانية

لماذا هذا مطلوب؟

بعد تحقيق رقم قياسي عالمي لسرعة التصوير ، يمكن أن يؤدي T-CUP إلى ظهور جيل جديد من المجاهر للطب الحيوي وعلوم المواد وتطبيقات أخرى. تمثل هذه الكاميرا نقلة أساسية. يوفر فرصة لتحليل التفاعلات بين الضوء والمادة بدقة زمنية غير مسبوقة.

للمرة الأولى ، صورت كاميرا الفيديو عملية التركيز المؤقت لنبضة ليزر واحدة من الفيمتو ثانية في الوقت الفعلي (في الصورة أعلاه). تم تسجيل هذه العملية في 25 إطارًا بفاصل زمني قدره 400 فمتوثانية: وهي توضح بالتفصيل شكل وكثافة وزاوية ميل النبض الضوئي.


لقطات فيلم T-CUP

تظهر الصور أعلاه: نبض ليزر يمر بشكل غير مباشر من خلال المشبك (ب) ؛ التركيز المكاني لنبضة (ق) ليزر ، نبضة ليزر تدوم 7 بيكو ثانية ، والتي تمر عبر مقسم 50:50 في سحابة صغيرة من بخار الماء (هـ) ؛ نبض ليزر ينعكس من مرآتين (ز). في الحالة الأولى ، تم تصوير الفيديو بسرعة قصوى تبلغ 10 إطارات في الثانية ، في السلسلة الثانية والثالثة من الإطارات - بمعدل 2.5 إطارات في الثانية ، وفي السلسلة الأخيرة من الإطارات - "فقط" بمعدل 1 تريليون إطار في الثانية.

نشر العلماء وصفًا لتطورهم في مجلة Nature. إلى جانب العمل العلمي ، توجد العديد من مقاطع الفيديو في المجال العام ، وهنا أحدها .

يقول جينيانج ليانغ ، المؤلف الرئيسي للصحيفة: "هذا إنجاز في حد ذاته ، لكننا نشهد بالفعل فرصًا لزيادة السرعة إلى كوادريليون (10 ¹⁵ ) إطارًا في الثانية". يعتقد الباحثون أنه بهذه السرعة ، يمكنك اكتشاف أسرار لم يتم اكتشافها بعد لتفاعل الضوء والمادة. على سبيل المثال ، يمكن للمرء أن يسجل بالتفصيل توسع الجزيئات أثناء الانفجار ، وانتشار أشعة الضوء وغيرها من الأشياء المثيرة للاهتمام.

بالمناسبة ، يتوقع خبراء الأمن أن الكاميرا بهذه السرعة ستسمح لك بإطلاق النار على أشياء ليست في خط الرؤية المباشر ، أي إطلاق النار على العدو حرفياً من الزاوية (عرض فيديو ). لذلك يمكن لهذه الأجهزة العثور على التطبيق ليس فقط في الفيزياء النظرية ، ولكن أيضًا في الأجهزة الحقيقية والمفيدة للغاية.

---