Câmera Super Speed ​​T-CUP

Cientistas do Instituto Nacional de Pesquisa (Canadá) e do Instituto de Tecnologia da Califórnia desenvolveram a câmera de vídeo T-CUP mais rápida do mundo, que grava a uma velocidade de 10¹³, ou seja, 10 trilhões de quadros por segundo. Este dispositivo permite literalmente congelar o tempo, ou seja, visualizar fenômenos (e até luz) em um ritmo muito lento.

As câmeras de alta velocidade abrem as portas para métodos novos e altamente eficazes de análise microscópica de fenômenos dinâmicos em biologia e física. Por exemplo, você pode estudar em detalhes os processos em uma célula viva ou o movimento de moléculas.


O princípio de operação do T-CUP

A câmera usa lasers que produzem pulsos ultracurtos na faixa de femtossegundos (10 a ¹⁵ s). Femtolazers são apenas metade da batalha. Para usá-los em uma câmera de vídeo, é necessário que haja uma maneira de gravar imagens em tempo real com uma resolução de tempo muito curta. A criação do T-CUP foi possível graças a inovações em óptica não linear e tecnologias de imagem.

Usando métodos modernos de visualização, as medições usando pulsos de laser ultracurtos devem ser repetidas várias vezes, o que é adequado para alguns tipos de amostras inertes, mas impossível para outras mais frágeis. Por exemplo, a gravação a laser em vidro pode suportar apenas um pulso de laser; portanto, os pesquisadores têm menos de um picossegundo para capturar os resultados. Em outras palavras, o método de visualização deve ser capaz de cobrir todo o processo em tempo real.

A fotografia ultra-rápida compactada (CUP) é um bom ponto de partida. Esse método permitiu atingir 100 bilhões de quadros por segundo, foi descrito em Habré em 2014. No entanto, a tecnologia tinha limitações fundamentais, para superar o desenvolvimento de um sistema T-CUP aprimorado, o que aumentou a velocidade em várias ordens de magnitude. Um foto-cronógrafo de femtossegundos de alta velocidade já é usado aqui, como na tomografia, em combinação com uma câmera que grava uma imagem estática. Nesta combinação, os pesquisadores foram capazes de usar a chamada transformação Radon para obter imagens de alta qualidade em até dez trilhões de quadros por segundo (a transformação Radon é uma transformação integral da função de muitas variáveis, semelhante à transformação de Fourier).


O processo de focalizar temporariamente um único pulso de laser de femtossegundos

Por que isso é necessário?

Tendo estabelecido um recorde mundial em velocidade de imagem, o T-CUP poderia levar ao surgimento de uma nova geração de microscópios para biomedicina, ciência de materiais e outras aplicações. Esta câmera representa uma mudança fundamental. Ele oferece uma oportunidade para analisar as interações entre luz e matéria com uma resolução de tempo sem precedentes.

Pela primeira vez, a câmera de vídeo filmou o processo de focalizar temporariamente um único pulso de laser de femtossegundos em tempo real (na foto acima). Este processo foi gravado em 25 quadros com um intervalo de 400 femtossegundos: mostra em detalhes a forma, a intensidade e o ângulo de inclinação do pulso de luz.


Imagens de filme T-CUP

As fotos acima mostram: um pulso de laser que passa obliquamente pela grade (b); foco espacial de um (s) pulso (s) de laser, um pulso de laser com duração de 7 picossegundos, que passa por um divisor de 50:50 em uma pequena nuvem de vapor de água (e); um pulso de laser refletido em dois espelhos (g). No primeiro caso, o vídeo foi gravado a uma velocidade máxima de 10 Tfps, na segunda e terceira série de quadros - a 2,5 Tfps e na última série de quadros - "apenas" a 1 trilhão de quadros por segundo.

Os cientistas publicaram uma descrição de seu desenvolvimento na revista Nature. Junto com o trabalho científico, vários vídeos são de domínio público, eis um deles .

"Essa é uma conquista em si mesma", diz Jinyang Liang, principal autor do artigo, "mas já estamos vendo oportunidades de aumentar a velocidade para um quatrilhão ^de quadros (10 ¹⁵ ) por segundo". Os pesquisadores acreditam que, a essa velocidade, você pode descobrir segredos ainda não detectados da interação entre luz e matéria. Por exemplo, pode-se registrar em detalhes a expansão de moléculas durante uma explosão, a propagação de raios de luz e outras coisas interessantes.

A propósito, os especialistas em segurança esperam que a câmera nessa velocidade permita fotografar objetos que não estão na linha de visão direta , ou seja, literalmente atirar no inimigo ao virar da esquina ( demonstração em vídeo ). Portanto, esses dispositivos podem encontrar aplicação não apenas na física teórica, mas também em dispositivos úteis muito reais.

---