了解光如何运动对很多领域来说都是至关重要的

李倩 发表于 2018-10-17 14:33:43 收藏 已收藏
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了解光如何运动对很多领域来说都是至关重要的

李倩 发表于 2018-10-17 14:33:43

光是宇宙中最快的东西,所以想要在移动中捕捉到它是一项挑战。我们已经取得了一些成功,但是加州理工学院的科学家们建造的一个新设备每秒可以捕获令人难以置信的10万亿帧,这意味着它可以在光传播的过程中捕捉到光——而且他们计划使它的速度提高一百倍。

了解光如何运动对很多领域来说都是至关重要的,所以这并不是单纯的好奇心驱使着梁锦阳和他的同事们的努力——也不是说这有什么不对。但是,在物理、工程和医学上有一些潜在的应用,它们在很大程度上依赖于光在如此小、如此短的尺度下的行为,以至于它们处于可以测量的极限。

你可能听说过十亿和万亿fps的相机,但那些可能是“条纹相机”,做了一些作弊来达到这些数字。如果一束光可以被完美地复制,那么你就可以每毫秒发射一束光,但是相机的捕捉时间会被更小的部分抵消,比如几飞秒(10亿倍短)。当它在这里的时候,你会捕捉到一个脉冲,下一个脉冲是在更远的地方,下一个脉冲是在更远的地方,以此类推。最终的结果是,这部电影在很多方面都无法与你以高速捕捉到的第一个脉冲区分开来。

这是非常有效的——但你不能总是指望能以同样的方式产生百万倍的光脉冲。也许你需要看看当它通过一个精心设计的激光蚀刻透镜时发生了什么,这个透镜会被第一个脉冲所改变。在这种情况下,你需要实时捕捉第一个脉冲——这意味着不仅要以飞秒的精度记录图像,而且要相隔飞秒。这就是T-CUP方法的作用。它结合了一个条纹相机与第二个静态相机和一个数据采集方法用于断层摄影。“我们知道,如果只使用飞秒条纹相机,图像质量就会受到限制。”为了改进这一点,我们添加了另一个摄像头来获取静态图像。结合飞秒条纹相机获得的图像,我们可以使用所谓的氡变换来获得高质量的图像,同时记录每秒10万亿帧。事情就这么解决了!

无论如何,这种方法允许图像——技术上的时空数据——以100飞秒的间隔被捕获。这是每秒10万亿,或者如果他们想运行这么长时间的话,但是没有足够快的存储阵列可以每秒写10万亿的数据。所以他们现在只能让它连续运行几帧——在你看到的这个可视化的实验中有25帧。这25帧显示了飞秒长的激光脉冲通过分光镜——注意在这个尺度下,光通过透镜本身所需要的时间是非常重要的。你必须考虑到这些事情!

这种实时的精确程度是前所未有的,但是团队还没有完成。“我们已经看到了将速度提高到10^15帧每秒的可能性!”梁在新闻稿中热情地说道。在这样的尺度上捕捉光的行为,以这种程度的保真度,这比我们几年前所能做到的要高得多,而且可能会开创物理学和其他领域的全新研究领域。

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