Сверхскоростная съемка: 15 триллионов кадров в секунду
Каждую секунду вокруг нас протекает множество физических и химических процессов, которые крайне сложно зафиксировать. Сложность заключается не только в габаритах участвующих объектов, но и в скорости самих процессов. В современных исследованиях большую роль играет скоростная съемка, позволяющая запечатлеть сверхбыстрые динамические явления. Но даже у такой технологии есть свой предел, который утрировано можно обозначить кадрами в секунду. Ученые из университета Шэньчжэня (Китай) смогли создать исключительно оптическую систему, способную достичь 15 триллионов кадров в секунду. Какие техники и явления были использованы в данной разработке, что показали практические опыты, и где данное творение может найти свое применение? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Высокоскоростная визуализация является неотъемлемым инструментом изучения таких шустрых динамических процессов как фемтосекундная лазерная абляция, распространение лазерных филаментов, молекулярная динамика, взаимодействие ударных волн в живых клетках и т.д.
Вполне ожидаемо, что сверхбыстрая оптическая визуализация, которая может обеспечить визуализацию переходных процессов без размытия, является желанным инструментом для ученых из самых разных областей науки (химия, физика, оптическая инженерия, материаловедение, биомедицина и т.д.).
На данный момент уже существует ряд методик, позволяющих достичь вполне неплохих результатов в области оптической визуализации. К примеру, визуализация с временным разрешением, основанная на методах накачки и зондирования, отлично справляется с воспроизводимой переходной динамики с высокой частотой повторения. Однако данная методика теряет свои преимущества при работе с процессами, которые имеют низкую частоту повторения или не повторяются вовсе.
Заменить метод накачки-зондирования можно однократной оптической визуализацией. В некоторых работах удавалось даже достичь 25 миллионов кадров в секунду (Mfps). А вот сжатая сверхбыстрая фотография (CUP от compressed ultrafast photography) может работать с частотой кадров 0.1 триллиона кадров в секунду (Tfps) с временным разрешением ~ 50 пс за счет применения алгоритма на основе алгоритма компрессионного зондирования* (compressive sensing).
Компрессионное зондирование (compressive sensing)* — методика получения и восстановления сигнала за счет знания о его предыдущих значениях, которые разрежены или сжаты.
Пространственное разрешение такого метода может быть масштабировано до 7 lp/mm (пар линий на миллиметр, далее — пл/мм). Если же добавить 20х объектив, то получится фазочувствительная сжатая сверхбыстрая фотография (pCUP), способная выдать пространственное разрешение в несколько микрометров и скорость визуализации в 1 Tfps.
В такой методики можно достичь хороших показателей пространственного разрешения, чего нельзя сказать о временном разрешении. Следовательно, необходим метод, который сможет объединить сильные стороны вышеописанных методов воедино.
По заверению ученых, отличным кандидатом на эту роль подходит оптическое параметрическое усиление (OPA от optical parametric amplification). Применяя OPA к оптическому изображению, информацию, содержащуюся в сигнале, можно скопировать на «холостое» изображение. Данная особенность вдохновила ученых на создание нового метода однократной сверхбыстрой оптической визуализации, названного формированием изображения посредством неколлинеарного оптического параметрического усиления (FINCOPA от framing imaging based on noncollinear optical parametric amplification; NCOPA от noncollinear optical parametric amplification).
Неколлинеарное устройство позволяет преобразовывать информацию в последовательных кадрах в пространственно разделенные холостые изображения с помощью многокаскадных оптических параметрических усилителей, накачиваемых последовательной серией лазерных импульсов.
Данный полностью оптический метод также лишен каких-либо узких мест, связанных с активными механическими и электронными компонентами для быстрого сканирования, что критично для высокой частоты кадров.
Принцип работы системы FINCOPA
Изображение №1
Схема выше является иллюстрацией работы системы FINCOPA. Был использован импульс выборки с достаточно большой временной шириной, чтобы охватить всю информацию в целевом переходном процессе. Кроме того, последовательность ультракоротких импульсов (обозначенных как trigger-1, 2, 3 и 4) была использована для запуска и переключения информации изображения с разных временных срезов импульса выборки на другую последовательность ультракоротких импульсов (помеченных как recorded-1, 2, 3 и 4) с использованием каскадных преобразователей оптических изображений. Поскольку записанные изображения пространственно разделены друг от друга, их можно принимать разными CCD (ПЗС от прибор с зарядовой связью) камерами.
Кадровые интервалы определяются относительными задержками между импульсом выборки и импульсами запуска, тогда как время экспозиции изображений можно оценить, используя длительность импульсов запуска. Таким образом, время экспозиции, эффективная частота кадров и номер кадра не зависят друг от друга.
Для реализации этой идеи необходима фемтосекундная лазерная система с фемтосекундным временным разрешением. Как отмечают ученые, тут крайне важна точная временная синхронизация между импульсами запуска и импульсом выборки. Достичь этого удалось за счет получения как импульса выборки, так и импульсов запуска от одного и того же лазерного источника, что снижает временные колебания между синхронизированными импульсами до нескольких фемтосекунд. Номер кадра (N) определяется отношением полной доступной мощности импульса запуска к мощности, необходимой для запуска каждого преобразователя оптического изображения.
OPA может отображать информацию о сигнале в холостом изображении, поэтому оптические параметрические усилители могут служить преобразователями изображения. Кроме того, использование ультракоротких импульсов в качестве накачки для OPA означает короткое время экспозиции при визуализации OPA, то есть высокое временное разрешение.
В оптическом параметрическом усилителе OPA возникает только во время взаимодействия между накачкой и сигналом, а это означает, что информация об изображении отображается в холостом только под действием накачки. Накачка имеет гораздо меньшую длительность импульса, чем сигнал, поэтому она может действовать как оптический затвор. Выдержку можно оценить по длительности импульса накачки, а временное разрешение в основном определяется длительностью холостого импульса. Обе длительности будут равны друг другу, если толщина кристаллов OPA будет достаточно тонкой для подавления временного отклонения между сигналом и импульсами накачки.
Кроме того, сверхкороткая длительность импульса накачки способствует высокой интенсивности накачки (например, > 100 ГВт/см2), что также положительно влияет на усиление OPA и позволят достичь большой пространственно-временной полосы пропускания.
Другими словами, интенсивность накачки для OPA определяется требуемым усилением OPA и полосой пропускания, но также ограничивается требуемыми размерами изображения и доступной мощностью накачки для OPA.
Для конкретных интенсивности накачки и размеров изображения или площади накачки каждого усилителя количество усилителей или количество кадров можно оценить, поделив общую мощность накачки на мощность накачки каждого усилителя. Кроме того, время задержки между импульсом накачки и сигнальным импульсом определяет экспонированные временные срезы сигнала в каждом усилителе (τ).
Из различий между каждым значением τ можно определить интервалы кадров. В системе FINCOPA значение τ ограничивается только минимально доступными размерами шага линий временной задержки (DL от delay lines) и флуктуациями траекторий луча лазера. Как правило, интервал кадров больше, чем продолжительность импульса накачки.
На изображении 1b показана экспериментальная установка FINCOPA.
Используемый фемтосекундный титан-сапфировый лазер имеет следующие параметры: 1 кГц; 800 нм; 3.5 мДж; длительностью импульса ~ 40 фс. Выход лазера сначала проходит через генератор второй гармоники (ГВГ): 0.2 мм β-BBO кристалл. Временное разрешение экспериментальной установки составляет около 50 фс.
Примерно 30% лазерного импульса преобразуется во вторую гармонику (т.е. импульс 400 нм) с длительностью импульса ~ 40 фс. После прохождения через разделитель длин волн (WS от wavelength separator) импульс 400 нм разделяется на четыре дочерних импульса группой делителей луча (BSG от beam splitter group), включая три 50:50 делителя, для накачки четырех оптических параметрических усилителей (NCOPA-1…NCOPA-4). Количество усилителей или количество кадров равно четырем, что в основном ограничено выходной мощностью импульса фемтосекундной лазерной системы (~ 3.5 Вт на частоте 1 кГц). Если энергия фемтосекундного лазера достигает 7 Вт, количество кадров можно оценить в 4×7/ 3.5 = 8.
Непреобразованный основной импульс 800 нм отражается WS. Около 1% лазерного импульса с длиной волны 800 нм направляется в расширитель импульсов (PS от pulse stretcher) — распределитель импульсов, который увеличивает длительность импульса до 50 пс. Затем расширенный импульс работает как выборка для освещения целевого сверхбыстрого события, а также как сигнал последующих оптических параметрических усилителей.
В описанной выше установке между целевым объектом и оптическими параметрическими усилителями используются четыре оптических системы формирования изображений (от OIS-1 до OIS-4), так что плоскости цели и плоскости усилителей сопряжены друг с другом. OIS-1 отображает цель на NCOPA-1 с помощью оптического увеличения, чтобы соответствовать пространственной полосе пропускания усилителя, таким образом оптимизируя качество изображения. OIS-2, OIS-3 и OIS-4 используются для 1х релейной визуализации. Четыре части кристаллов β-BBO толщиной 0.5 мм и сечением 29.2 градуса работают для OPA при фазовом согласовании типа I.
В каждом усилителе накачка и сигнал расположены с небольшим углом пересечения (~ 2 градуса) внутри кристаллов β-BBO, так что генерируемое холостое изображение пространственно отклоняется от них обоих. Время задержки между ними можно независимо регулировать с помощью DL (от DL-1 до DL-4).
На каждом пути холостого изображения используется линза для отображения β-BBO кристалла на CCD камере для оптимизации качества изображения.
Характеристики системы FINCOPA
Использование фемтосекундного лазерного импульса в качестве накачки для получения изображений с помощью OPA имеет несколько преимуществ. Во-первых, более сильный импульс накачки может обеспечить более высокий прирост оптического параметрического усиления. Во-вторых, такой импульс позволяет получить большую пространственную полосу пропускания.
Доступная интенсивность накачки в основном ограничена повреждением OPA кристалла от лазерного воздействия, которое также зависит от длительности импульса накачки: чем короче длительность накачки, тем выше доступная интенсивность. Для фемтосекундных импульсов интенсивность накачки может достигать сотен ГВт/см2. А вот наносекундные импульсы обычно имеют интенсивность ниже 10 ГВт/см2. В проводимых экспериментах накачка была установлена на уровне 15 ГВт/см2, а коэффициент усиления OPA составлял около 30.
Перед проведением фактических испытаний необходимо было произвести пространственную и временную калибровку.
Для начала необходимо было откалибровать поперечное положение четырех CCD (ПЗС) и увеличение оптической системы формирования изображения. Это было сделано путем одновременного захвата тестовых изображений с CCD.
Далее определялось начальное время, т.е. «нулевой момент времени», когда сигнал взаимодействует с системой накачки NCOPA-1 (накачка-1). Этот параметр можно менять, настраивая задержку первого импульса накачки через DL-1. Соответственно, нулевые позиции NCOPA-2, NCOPA-3 и NCOPA-4 могут быть зафиксированы путем настройки временных задержек их систем накачки так, чтобы сигнал, усиленный NCOPA-1, также был максимизирован за счет NCOPA-2, NCOPA-3, и NCOPA-4 одновременно.
Кадровое изображение, которое было перенесено с помощью холостого импульса (idler-1) и снято камерой CCD-1, является первым изображением. Последующие три холостых изображения с CCD-2, CCD-3 и CCD-4 стали вторым, третьим и четвертым изображениями соответственно. Их моменты относительно нулевого времени были отрегулированы с помощью DL-2, DL-3 и DL-4, чтобы изменить временные задержки лучей накачки.
Сверхбыстрая визуализация плазменной решетки
Чтобы проверить производительность FINCOPA, была сконструирована плазменная решетка в качестве первого образца. Это связано с тем, что такая решетка имеет регулируемые структуры с пространственным периодом до 10 мкм и сроком службы, измеримом в пикосекундах. Следовательно, для визуализации такого образца необходимо субпикосекундное временное разрешение и пространственное разрешение на уровне микрометров.
Решетка возбуждалась двумя неколлинеарными ультракороткими импульсами с длиной волны 800 нм с помощью неколлинеарного интерферометра (NCI от noncollinear interferometer). Полная энергия возбуждающего импульса составляла 2.4 мДж, а фокусное расстояние линзы (L) 250 мм. Период решетки регулируется за счет изменения угла пересечения двух лучей (2α).
Изображение №2
На 2а представлена структура решетки для 2α = 3.8 градуса, а 2b показывает одномерный профиль интенсивности, записанный вдоль вертикальной белой линии на 2а.
Было установлено, что период модуляции решетки составляет 12 мкм, что соответствует плотности штрихов около 83 пл/мм в вертикальном направлении. Согласно концепции устройства, NCOPA могут разрешать пространственные структуры с пространственной частотой до 36 пл/мм, посему в OIS-1 было настроено 3х увеличение для визуализации образца на NCOPA для 83 пл∕мм решетки.
Два импульса возбуждения для образца поступали от лазерной системы Ti: S с частотой 1 кГц вместе с селектором одиночных импульсов. В отсутствие селектора одиночных импульсов событие повторялось с частотой 1 кГц, поэтому оно было зарегистрировано методом накачки-зондирования.
Накачка-зондирование использовалось для регистрации эволюции плазменной решетки с NCOPA-1 и CCD-1, которая, как видно на 2с, включает 16 фрагментов изображения.
Каждый из фрагментов имеет вертикальную белую линию для калибровки пространственного положения в горизонтальном направлении. На каждом фрагменте изображения плазменная решетка распространяется слева направо. А нулевой момент времени был определен как момент, когда плазма пересекает белую линию на первом фрагменте изображения (2с).
График 2d демонстрирует изменение модуляции в зависимости от задержки. Анализ этих данных позволяет предположить, что после прохождения импульса накачки через белую линию плазменная решетка становится монотонно сильнее, но начинает исчезать через 4 пс.
Для покадровой визуализации был установлен селектор одиночных импульсов на выходе системы Ti: S для создания однокадровой плазменной решетки.
Изображение №3
На изображении выше представлены четыре группы снимков, каждая из которых включает четыре кадра видеозаписи решетки, полученной с помощью системы FINCOPA (видео №1).
Видео №1
На 3а интервалы времени между соседними холостыми изображениями составляют 100 фс. Это означает, что FINCOPA работает с частотой кадров 10 Tfps (видео №2).
Видео №2
На 3а также видно, что полосы плазменной решетки слева направо постепенно становятся видимыми с течением времени, что означает, что плотность электронной плазмы монотонно увеличивается от 0 до 300 фс.
На 3b представлены кадры в период времени 0, 200, 400 и 600 фс, т.е. с интервалом между кадрами 200 фс (видео №3).
Видео №3
Полосы на плазменной решетке становятся все более четкими, что можно проверить по изменению модуляции вдоль белых линий (3f).
Основываясь на данных из 3е и 3f, интервал между кадрами был увеличен до 1 пс, а зафиксированный момент NCOPA-1 был перенесен из нулевого временного момента на 1 пс (видео №4).
Видео №4
На 3с и 3g показаны изображения и кривая модуляции, отражающие тенденцию к увеличению плазменной решетки (3а и 3b).
На 3d показаны кадры при 5, 8, 20 и 30 пс (видео №5). Видимость полос со временем уменьшается, а это означает, что плазменная решетка начинает постепенно исчезать начиная с 5 до 30 пс. В результате в отличие от 3e–3g, модуляция на 3h со временем уменьшается.
Видео №5
Для сбора полной информации со снимков 3е-3h были получены временные характеристики нормализованной модуляции решетки по белым линиям каждого изображения (синие метки на 4а; красные метки соответствуют 2d, полученному накачкой-зондированием).
Изображение №4
Сравнение результатов работы обоих методов (т.е. сравнение красных и синих меток) показало, что результаты обоих методов совпадают, т.е. система FINCOPA работает исправно.
В случае, когда 2α = 2.5 градусов, период плазменной решетки становится около 18 мкм (т.е. плотность штриховки составляет 56 пл/мм).
Были проведены такие же эксперименты, как и на изображении №3, но уже с 2α = 2.5, а не 3.8 градусов. Результаты (4b) показывают хорошее совпадение нормированных модуляций между методом накачки-зондирования и методом FINCOPA.
Далее была рассмотрена эволюция решетки вдоль направления ее распространения. Из 4×4 кадров был получен коэффициент модуляции в зависимости от пространственной координаты вдоль направления распространения при различных значениях τ, например 0.8, 1, 2 и 4 пс (5а).
Изображение №5
Пик модуляции смещается вправо с увеличением τ, что объясняется тем, что пара импульсов накачки распространялась слева направо. Поскольку плазменная решетка представляет собой объект с низкой модуляцией интенсивности, измеренный контраст изображения относительно низкий. Используя пространственную фильтрацию, удалось удалить фон и увеличить контраст изображения.
Другое наблюдаемое явление заключалось в том, что пиковые значения модуляций уменьшались с удалением от центра вдоль направления x. На 5b представлена эволюция модуляции решетки в зависимости от времени от 0 до 30 пс в четырех положениях вдоль направления x (т.е. х = −15, −60, −90 и −500 мкм). Все положения показывают аналогичную эволюцию модуляции, но максимумы уменьшаются при сдвиге положения от центра влево. Таким образом, 5b подразумевает зависимость модуляции решетки от x, которая может быть результатом зависимости интенсивности возбуждающего импульса от x.
Сверхбыстрая визуализация вращающегося оптического поля
Изображение №6
Для дополнительной проверки временного разрешения FINCOPA было выполнена визуализация (схема установки на 7b) сверхбыстрого вращающегося оптического поля с частотой 20 Гц и скоростью вращения более 10 триллионов радиан в секунду (Tрад/с).
Изображение №7
Низкая частота повторения (20 Гц) означает, что этот вид оптического поля может быть усилен до чрезвычайно высокой мощности (например, до десятков тераватт и даже выше). Однако для лазерной системы низкая частота повторения обычно сопровождается большой скачкообразной флуктуацией ее выходных импульсов, так что метод накачки-зондирования может привести к значительной неточности измерения.
Изучаемое поле было создано путем двух чирпированных вихревых импульсов с разными топологическими зарядами (±l) и временной задержкой (δt). Если настроить временную задержку пары чирпированных импульсов на 1 пс, оптическое поле поворачивается с разностью угловых частот Δω = ∼27 Трад/с (т.е. цикл вращение равен 466 фс).
Система FINCOPA визуализировала это событие с интервалом кадров Δt = 66.7 фс, т.е. с частотой в 15 триллионов кадров в секунду (видео №6). На изображении №6 показано поле, поворачивающееся на угол ∼0.9π рад за 200 фс.
Видео №6
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
Часто говорят, что мастер ничто без своих инструментов. Возможно это и преувеличение, ведь талант, навыки и знания никто не отменял. Однако в аспекте исследования каких-либо процессов инструменты играют далеко не последнюю роль.
В данном труде ученые продемонстрировали работоспособную систему скоростной визуализации, которая способна запечатлеть что-либо с частотой кадров до 15 триллионов. Подобных показателей доныне не было, потому смело можно говорить про установление нового рекорда.
Сами авторы уверены, что их детище позволит познать очень много нового как в явлениях и процессах, которые уже изучены, так и в тех, что пока не могли быть рассмотрены из-за отсутствия необходимой аппаратуры.
Конечно, авторы исследования не намерены поддаваться бахвальству, ибо их система требует улучшений и доработок, которые в будущем смогут привести к тому, что метод FINCOPA станет столь же обыденным и распространенным, как и обычная микроскопия. По крайней мере, это мечта ученых. Станет ли она реальностью, покажет время.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
