Super Speed ​​Kamera T-CUP

Wissenschaftler des National Research Institute (Kanada) und des California Institute of Technology haben die weltweit schnellste T-CUP -Videokamera entwickelt, die mit einer Geschwindigkeit von 10¹³, dh 10 Billionen Bildern pro Sekunde, aufnimmt. Mit diesem Gerät können Sie die Zeit buchstäblich einfrieren, dh Phänomene (und sogar Licht) in einem sehr langsamen Tempo visualisieren.

Hochgeschwindigkeitskameras öffnen die Tür zu neuen und hochwirksamen Methoden zur mikroskopischen Analyse dynamischer Phänomene in Biologie und Physik. Sie können beispielsweise die Prozesse in einer lebenden Zelle oder die Bewegung von Molekülen detailliert untersuchen.


Das Funktionsprinzip des T-CUP

Die Kamera verwendet Laser, die ultrakurze Impulse im Femtosekundenbereich ( ^10-15 s) erzeugen. Femtolazer sind nur die halbe Miete. Um sie in einem Camcorder verwenden zu können, muss es eine Möglichkeit geben, Bilder in Echtzeit mit einer sehr kurzen Zeitauflösung aufzunehmen. Die Schaffung von T-CUP wurde durch Innovationen in der nichtlinearen Optik und den Bildgebungstechnologien ermöglicht.

Mit modernen Visualisierungsmethoden müssen Messungen mit ultrakurzen Laserpulsen viele Male wiederholt werden, was für einige Arten von inerten Proben geeignet ist, für andere, zerbrechlichere, jedoch unmöglich. Beispielsweise kann die Laserglasgravur nur einem Laserpuls standhalten, sodass die Forscher weniger als eine Pikosekunde Zeit haben, um die Ergebnisse zu erfassen. Mit anderen Worten, die Visualisierungsmethode muss in der Lage sein, den gesamten Prozess in Echtzeit abzudecken.

Die komprimierte ultraschnelle Fotografie (CUP) ist ein guter Ausgangspunkt. Diese Methode ermöglichte es, 100 Milliarden Bilder pro Sekunde zu erreichen, wie es 2014 in Habré beschrieben wurde . Die Technologie hatte jedoch grundlegende Einschränkungen, um zu überwinden, dass ein verbessertes T-CUP-System entwickelt wurde, das die Geschwindigkeit um mehrere Größenordnungen erhöhte. Wie bei der Tomographie wird hier bereits ein Hochgeschwindigkeits-Femtosekunden-Foto-Chronograph in Kombination mit einer Kamera verwendet, die ein statisches Bild aufzeichnet. In dieser Kombination konnten die Forscher die sogenannte Radon-Transformation verwenden, um qualitativ hochwertige Bilder mit bis zu zehn Billionen Bildern pro Sekunde zu erhalten (die Radon-Transformation ist eine integrale Transformation der Funktion vieler Variablen, ähnlich der Fourier-Transformation).


Der Prozess des vorübergehenden Fokussierens eines einzelnen Femtosekundenlaserpulses

Warum wird das benötigt?

Nachdem der T-CUP einen Weltrekord für die Bildgebungsgeschwindigkeit aufgestellt hat, könnte eine neue Generation von Mikroskopen für die Biomedizin, die Materialwissenschaften und andere Anwendungen entstehen. Diese Kamera stellt eine grundlegende Verschiebung dar. Es bietet die Möglichkeit, die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie mit einer beispiellosen zeitlichen Auflösung zu analysieren.

Zum ersten Mal filmte die Videokamera den Prozess der vorübergehenden Fokussierung eines einzelnen Femtosekundenlaserpulses in Echtzeit (siehe Foto oben). Dieser Vorgang wurde bei 25 Bildern mit einem Intervall von 400 Femtosekunden aufgezeichnet: Er zeigt detailliert die Form, Intensität und den Neigungswinkel des Lichtimpulses.


T-CUP Filmmaterial

Die Fotos oben zeigen: einen Laserpuls, der schräg durch das Gitter läuft (b); räumliche Fokussierung eines oder mehrerer Laserpulse, eines 7 Pikosekunden dauernden Laserpulses, der durch einen 50: 50-Splitter in einer kleinen Wasserdampfwolke (e) läuft; ein Laserpuls, der von zwei Spiegeln (g) reflektiert wird. Im ersten Fall wurde das Video mit einer maximalen Geschwindigkeit von 10 Tfps aufgenommen, in der zweiten und dritten Frameserie - mit 2,5 Tfps und in der letzten Frameserie - „nur“ mit 1 Billion Bildern pro Sekunde.

Wissenschaftler veröffentlichten eine Beschreibung ihrer Entwicklung in der Zeitschrift Nature. Neben wissenschaftlichen Arbeiten sind mehrere Videos gemeinfrei, hier eines davon .

"Dies ist eine Leistung für sich", sagt Jinyang Liang, Hauptautor der wissenschaftlichen Arbeit, "aber wir sehen bereits Möglichkeiten, die Geschwindigkeit auf eine Billiarde (10 ¹⁵ ) Bilder pro Sekunde zu erhöhen." Forscher glauben, dass man bei dieser Geschwindigkeit noch unentdeckte Geheimnisse der Wechselwirkung von Licht und Materie herausfinden kann. Beispielsweise kann man die Expansion von Molekülen während einer Explosion, die Ausbreitung von Lichtstrahlen und andere interessante Dinge detailliert registrieren.

Sicherheitsexperten erwarten übrigens, dass Sie mit der Kamera mit dieser Geschwindigkeit Objekte aufnehmen können, die sich nicht in direkter Sichtlinie befinden, dh den Feind buchstäblich um die Ecke schießen ( Videodemonstration ). Solche Geräte können also nicht nur in der theoretischen Physik Anwendung finden, sondern auch in sehr realen, nützlichen Geräten.

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