В ушедшем году лидерству света в области скоростей был брошен серьезный вызов, — и не с одной стороны. Как будто мало было того, что в сентябре нейтрино начали претендовать на сверхсветовую скорость, — в довершение всего, в конце 2011 года свет, можно сказать, свели до уровня какой-нибудь свинцовой пули, движение которой можно во всех подробностях рассмотреть в замедленной съемке. Теперь и самый быстрый во вселенной процесс — распространение света можно, что называется «поймать на пленку».

Сверхзвуковая пуля, фото Эрнста Маха 1887 г.

Сверхзвуковая пуля, фото Эрнста Маха 1887 г.

Успеха добилась одна из научно-исследовательских групп лаборатории Media Lab Массачусетского Технологического (MIT) Camera Culture group в сотрудничестве с Bawendi Lab химического факультета того же института. Им удалось разработать устройство, способное визуализировать процесс распространения света. Эффективное время экспозиции для каждого кадра оказывается равным примерно двум триллионным секунды, и результирующее видео показывает движение света со скоростью около триллиона  кадров в секунду.

Прямая запись отраженного света при такой частоте кадров с достаточной интенсивностью едва ли возможна даже теоретически. Поэтому был применен непрямой «стробоскопический» метод, который суммирует миллионы повторяющихся измерений благодаря прецизионному сканированию по времени с разных точек зрения. Затем данные обрабатывались с тем, чтобы создать «видеозапись» события продолжительностью в наносекунду.

В качестве набегающей волны использовался импульс лазера длительностью менее одной триллионной секунды, а отраженный свет, возвращающийся с «места действия» собирался со скоростью, эквивалентной приблизительно полутриллиона кадров в секунду. Однако, из-за очень короткой экспозиции (около двух триллионных секунды) и узкого поля зрения камеры, видео записывалось в течение нескольких минут путем периодического повторения импульсов.

Эта новая технология, названная создателями Фемтофотографией (Femto Photography), включает в себя подсветку фемтосекундным лазером, использование детекторов с пикосекундным разрешением и математические техники воссоздания хода процесса. Учеными применялся лазерный источник, испускающий импульсы с регулярностью около 13 наносекунд. Эти импульсы одновременно с освещением фотографируемых предметов приводили в действие пикосекундную стрик-камеру, захватывающую отраженный свет. Стрик-камера, или по-русски «полосковая», имеет достаточно широкое поле зрения в одном направлении и очень узкое в другом, в результате чего каждый отдельный момент времени она записывает изображение узкой полосы предмета. В данном случае поле зрения камеры было широким по горизонтали и узким (приблизительно равным ширине одной полосы развертки) по вертикали.

В итоге каждая отдельная запись представляла собой «1D-видео» из этого узкого поля зрения. Это видео состояло из 480 кадров с экспозицией по 1.71 пикосекунд каждый. Через систему зеркал поле зрения камеры ориентировалось в направлении разных частей фотографируемого объекта, и «видео» снималось для каждой такой «точки зрения». Между временем начала лазерного импульса и началом записи «видео» поддерживалась одна и та же фиксированная задержка по времени. В конце концов специальный алгоритм обрабатывает все собранные данные, чтобы получить одно двумерное видео, состоящее из примерно 480 кадров, с эффективной экспозицией 1.71 пикосекунд.

Кроме определенного потенциала в области артистических и образовательных визуализаций, среди возможных применений разработанной методики исследователи указывают и целый ряд других перспективных направлений. Таких как промышленная съемка для анализа свойств материалов и дефектоскопии, научная съемка в целях понимания сверхбыстрых процессов, медицинская съемка для создания изображений объектов, скрытых от непосредственного наблюдения («УЗИ светом»). А также, анализ путей распространения фотонов может позволить в будущем создать новые формы компьютерной фотографии, например, воссоздание или изменение освещенности на фотографии с помощью технологий компьютерной графики.

Конечно, съемочная техника, необходимая для получения таких сверхскоростных видео, нескоро станет доступной каждому покупателю. Да и сам по себе выход этой технологии за стены лаборатории подразумевает решение многих проблем, таких как, например, достижение портативности, необходимость тонкой юстировки и синхронизации. Среди недостатков технологии надо отметить невозможность съемки единичных процессов, но лишь точно повторяющихся с аккуратной периодичностью. Только путем точной синхронизации импульсов подсветки с временем захвата отраженного света удается записать один и тот же пиксел изображения в одном том же кадре миллионы раз, чтобы получить достаточно сильный сигнал, четко отличный от шумов.

Ограничения налагаются и со стороны временного разрешения — 1.71 пикосекунд для кадра. За это время свет успевает пройти около 0.5 мм, и таким образом, любые изменения происходящие на меньших масштабах длины снять с помощью этого метода практически невозможно.

Суммируя, надо сказать, что в отличие от традиционной сверхскоростной съемки, новый метод позволяет проследить за процессом распространения света и его взаимодействием с веществом. Обычно эти явления оказываются недоступны для наблюдения, так как сверхскоростная съемка, основанная на снижении времени экспозиции, способна запечатлеть лишь микросекундные процессы. Интересно сравнить полученные «видеозаписи» распространения света с обычной сверхбыстрой съемкой, способной проследить за движением летящей пули. В сети можно найти немало поразительных фотографий и видео, изображающих прохождение металлической пули сквозь различные предметы, например, яблоко, бутылку с водой и т. п.

Свет движется со скоростью примерно в миллион раз большей, чем пуля. Поэтому, собственно, ученым и пришлось использовать миллионы повторяющихся импульсов, чтобы получить в чем-то очень похожий результат. Действительно, за полное время «фильма», 1 наносекунду, свет успевает пройти 30 см. Сверхкороткий лазерный импульс расплывается на длину около 1 см, давая на начальном этапе, до столкновения света с предметами, изображение своего рода «световой пули», которую в соответствии с законами жанра ученые заставляют пролетать сквозь наполненные водой бутылки или сталкиваться с предметами разной формы.

Нет смысла пытаться здесь описать получающуюся картину, так как лучше один раз увидеть, чем сто раз прочитать. Отметим только еще раз, что помимо научного и образовательного интереса такие «видео» обладают и немалой эстетической ценностью. И хотя ученых и критикуют за «искажение фактов в рекламе» (так как на самом деле они получают не «видеозапись» распространения света, а результат математической обработки миллионов микроэкспериментов), полученные ими видеоролики уже набирают сотни тысяч просмотров на популярных видеохостингах.

GD Star Rating
loading...
Триллион кадров в секунду, 10.0 out of 10 based on 1 rating

Добавить комментарий