Pohyb světla zmrazený v čase
T-CUP není zkratkové SMS označení pro šálek čaje, jak by se mohlo zdát, ale speciální superrychlá kamera schopná zaznamenávat extrémně rychlé procesy, jako je třeba záblesk laserového paprsku.
Jde o nejrychlejší kameru na světě, určenou pro speciální vědecké účely. O tomto unikátním záznamovém zařízení, které vyvinuli optičtí inženýři z francouzského Národního výzkumného vědeckého institutu (Institut National de la Recherche Scientifique - INRS) a Kalifornského technologického institutu (California Institute of Technology - Caltech), přinesla informace studie publikovaná v časopise Light: Science & Applications.
Zařízení dokáže zdokumentovat femtosekundové laserové pulzy. Femtosekundový laser je typ ultrarychlého laseru, který vytváří minimální počet teplem ovlivněných zón tím, že má trvání pulsu pod úrovní pikosekund. Veličina, o které je řeč – femtosekunda (fs) – označuje tisícinu pikosekundy, což je tisícina biliontiny sekundy. Tedy časový úsek vymykající se běžnému lidskému chápání, nicméně pro představu: Světlo s rychlostí 300 tisíc km/s urazí za 1 fs dráhu pouhých 0,3 mikrometrů.
Při použití současných zobrazovacích metod musí být měření prováděná ultrasonografickými laserovými pulsy mnohokrát opakována, což je podle vědců sice použitelné pro některé typy inertních materiálů, ale pro jiné křehké vzorky je nemožné. Například laserem ryté sklo může tolerovat pouze jeden laserový puls ponechávající prostor pro záznam méně než pikosekundu, zatímco vědci potřebovali zobrazovací techniku schopnou zachytit celý proces v reálném čase. A tou je novinka T-CUP umožňující analyzovat interakce mezi světlem a hmotou v bezkonkurenčním časovém rozlišení.
Extrémní rychlost záznamu
Kamera T-CUP dokáže snímat rychlostí 10 bilionů (1013) obrázků za sekundu – tak doslova zmrazí čas a zachytí i světlo v extrémně pomalém pohybu. Výchozím bodem a základem pro vývoj zmíněného systému je technologie kompresní ultrarychlé fotografie (CUP – Compressed ultrafast photography), která zvládá až 100 mld. snímků za sekundu. Ani tato rychlost by ovšem pro záměry výzkumníků nebyla dostačující, protože by jim nabídla „jen“ snímky s omezenou kvalitou, proto museli systém vylepšit.
„Věděli jsme, že při použití pouze femtosekundové kamery by kvalita obrazu nebyla dostačující, proto jsme do systému zařadili statickou kameru a ke zpracování dat využili metodu Radonovy transformace, používané např. (v inverzní podobě) při rekonstrukci snímků z počítačových tomografů," vysvětluje profesor Lihong Wang z laboratoře Caltech. Vědci tím získali snímky o vysoké kvalitě při rychlosti snímání 10 bilionů snímků za sekundu. Systém T-CUP pasivně zachycuje dynamické události s intervaly snímků 100 fs při expozici jedné kamery a vytvořil tak nový rekord pro rychlost zobrazování v reálném čase. Umožňuje dokonce i zachycení světla v extrémně pomalém pohybu.
Rekord už při prvním použití
Zatímco standardní optické přístroje se zaměřují na prostorový bod, časové mikroskopy omezují fotony podél úzké roviny, která může proniknout vzorky a současně excitovat více složek najednou. Nastavení zaznamenalo charakteristiky dynamické intenzity vzorku, poté je rozdělilo na dvě optické dráhy, které si uchovávaly prostorové a časové informace. S pomocí komprimovaného zobrazování a rychlozáznamové kamery pomohlo toto rozdělení minimalizovat počet měření a umožnilo algoritmům rekonstrukce obrazu dosáhnout snímkovací frekvence o dva řády lepší než dosahují současné ultrarychlé kamery.
Při svém vůbec prvním použití zachytila nová kamera časový záblesk jednoho femtosekundového laserového pulsu v reálném čase. Tento proces byl zaznamenán ve 25 snímcích pořízených v intervalu 400 fs a podrobně popisuje tvar, intenzitu a úhel sklonu světla. Vědci ale vidí možnost zvýšení rychlosti až na jeden kvadrilion (1015) snímků za sekundu. Takovéto rychlosti umožní nahlédnout do dosud nedetekovatelných tajemství interakcí mezi světlem a hmotou.
Foto: INRS
Jak funguje T-CUP?
Superrychlá kamera rozděluje obraz laseru mezi záznamník pohybu a fotoaparát. Videokamera zachycuje scénu na hranici toho, co může zařízení zobrazit a fotoaparát vytváří jediný, rozmazaný snímek celého pohybu laseru. Poté počítač zkombinuje data z obou kamer a pomocí obrazu z fotoaparátu vyplní mezery ve filmu. Výsledkem je plynulé video s rozlišením 450 x 150 px v trvání 350 snímků.
298
.gif)
