Самая быстрая в мире ультрафиолетовая камера сняла фотоны в реальном времени

Чтобы запечатлеть фотоны в действии, требуется мощный аппарат, способный захватить эти элементарные частицы, движущиеся со скоростью света. Подобную машину недавно создала международная группа учёных при Национальном институте научных исследований Канады, где устройству дали название UV-CUP, что буквально означает «ультрафиолетовая сжатая сверхбыстрая съёмка» (англ. Ultraviolet compressed ultrafast photography).

CUP — это перспективная технология визуализации, которая использовалась для захвата сверхбыстрых событий со скоростью, измеряемой триллионами кадров в секунду, но до сих пор ограничивалась видимыми длинами волн и длинами волн ближнего инфракрасного диапазона. Устройство на её основе было названо самой быстрой ультрафиолетовой камерой в мире, а её возможности достигли регистрации событий, длящихся лишь пикосекунду — единицу времени, равную одной триллионной доле (10^-12) секунды.

Этих мощностей достаточно, чтобы запечатлеть летающие фотоны в ультрафиолете в реальном времени.

Сначала команде пришлось разработать специальный фотокатод и интегрировать его в так называемую стрик-камеру — устройство, разработанное специально для измерения сверхбыстрых оптических явлений. Команде также необходимо было разработать новый алгоритм для извлечения данных и построения из них изображения.

Для управления камерой необходимо два этапа. Во-первых, информация о переходном событии сжимается в моментальный снимок при сборе данных — так полученный моментальный снимок мало отличается от фотографии, сделанной обычной камерой. Во-вторых, этот моментальный снимок подается в алгоритм реконструкции для извлечения кинофрагмента.

Ниже вы можете посмотреть на видео движущихся фотонов с длительностью от пикосекунды до наносекунды, снятое камерой UV-CUP и опубликованное Цзиньян Лян.

Есть и другие кадры, демонстрирующие два фемтосекундных УФ-импульса, попадающих в камеру в разное время. Фемтосекунда ещё меньше пикосекунды — эта единица времени равна одной квадрилионной  доле (10^-15) секунды.

Эти визуальные эффекты УФ-импульсов, показывающие движение фотонов в реальном времени, были получены с помощью компактного устройства со скоростью обработки изображений 0,5 триллиона кадров в секунду.

Команда надеется улучшить UV-CUP, изучив альтернативные материалы для фотокатода, эффективность которого в настоящее время ограничена. Еще одна цель — повышение скорости алгоритма и построения изображений с помощью ИИ.

UV-CUP сейчас отправляется в исследовательскую лабораторию во Франции, где он будет использоваться для регистрации различных физических явлений. Это может включать генерацию лазерной плазмы и УФ-флуоресценцию, что может помочь улучшить методы медицинской визуализации, используемые для диагностики заболеваний.

Узнайте, как NASA обнаружило древние дюны на Марсе. Им миллиард лет!