Найшвидша в світі ультрафіолетова камера здатна знімати політ фотона в режимі реального часу

Фотони, крихітні частинки світла, рухаються з такою великою швидкістю, що для зйомки їх польоту потрібно дуже складний пристрій, в якому об’єднується відразу безліч самих передових технологій. Не так давно дослідники з канадського Національного дослідницького інституту (Institut National de la Recherche Scientifique) закінчили роботу над тим, що сміливо можна назвати найшвидшою в світі ультрафіолетової камерою. Ця камера здатна знімати надшвидкі події, тривалість яких вимірюється одиницями пикосекунд, що досить для того, щоб відобразити як фотони ультрафіолетового світла рухаються в просторі в режимі реального часу.

Створена надшвидкісна ультрафіолетова камера отримала назву UV-CUP (compressed ultrafast photography). Технологія CUP — це досить новий метод зйомки, що забезпечує захоплення дуже швидких подій зі швидкістю в трильйони кадрів в секунду. Але до останнього часу все CUP-камери могли працювати тільки в діапазонах видимого або близького інфрачервоного світла.

«Безліч явищ відбувається за настільки короткі проміжки часу і в такому малому обсязі простору, що побачити їх можна тільки в більш короткохвильовому діапазоні світла» — розповідає Цзиньян Лян (Jinyang Liang), провідний дослідник, — «Створення високошвидкісний ультрафіолетової і, можливо, рентгенівської камер дозволить вченим на власні очі побачити деякі явища, а не спиратися тільки на здогади в своїх дослідженнях».

Для того, щоб отримати можливість виробляти високошвидкісну зйомку в ультрафіолетовому діапазоні, вчені розробили спеціальний фотокатод і інтегрували його в конструкцію так званої смуговий камери, спочатку розробленої для вимірювання часових характеристик надшвидких явищ. Крім цього, вченим довелося розробити абсолютно нові алгоритми, які виконують перетворення даних з камери в візуальне зображення.

«Нова камера працює в два етапи» — розповідає Цзиньян Лян, — «Спочатку інформація з камери стискається і формується щось на кшталт проміжного знімка, який нічим не нагадує знімки, вироблені звичайними камерами. І на другому етапі спеціалізовані реконструкційні алгоритми, що працюють в комп’ютері, перетворюють дані проміжного знімка в послідовність кадрів дуже короткого відео».

Тривалість відеороликів, що знімаються камерою UV-CUP, обчислюється наносекундами з дискретністю в одиниці пикосекунд. І для того, щоб забезпечити зйомку подібних відеороликів, камера знімає зі швидкістю 0.5 трильйона кадрів в секунду.

У своїй подальшій роботі дослідники планують поліпшити характеристики камери UV-CUP, наприклад, альтернативні матеріали для фотокатода дозволять збільшити швидкодію камери та її ефективність. А впровадження технологій штучного інтелекту в програмне забезпечення дозволить збільшити швидкість реконструкції зображень і їх якість.

В даний час перший дослідний зразок камери UV-CUP вже знаходиться на шляху в SOLEIL Synchrotron, одну з французьких науково-дослідних лабораторій, де ця камера буде використовуватися для зйомок різних фізичних явищ і процесів. В першу чергу камера буде використана в дослідженнях, пов’язаних з генерацією плазми за допомогою лазера, з вивченням явища ультрафіолетової флуоресценції, яке, в свою чергу, може стати основою нових методів медичної зйомки і діагностики різних захворювань. Джерело