首次！超高速相機捕捉到光的音爆畫面

物體在空氣中移動時，會推動其前方的空氣，併產生向各個方向傳播的、以聲速移動的壓力波。物體運行速度接近音速時，會有一股強大的阻力使物體產生強烈的振蕩、速度衰減，這一現象被稱為音障（Sound Barrier）。

當物體的移動速度等於或大於聲速時（即突破音障），物體移動速度則超過了其產生的空氣壓力波。此時，壓力波無法迅速傳播出去，逐漸在物體的迎風面上累積而最終形成激波面。在激波面上，聲學能量高度集中，產生類似於雷聲的短暫而極其強烈的爆破聲，稱為「音爆」（Sonic Booms）。

通常，「音爆」被限制在一個稱為「馬赫錐」（Mach cones）的錐形區域內，主要從超音速物體的頭部延伸到尾部。超音速飛機飛行速度突破音障時會產生錐形的音爆（sonic booms），類似的還包括汽艇行駛速度超過其在水中形成的水波速度時形成的V形船首激波（bow waves）。

早先研究表明，光脈衝也可以產生類似於「音爆」的錐形尾跡。超高速粒子產生衝擊波，散射周圍光線時，就可能形成「光子馬赫錐」（PhotonicMach Cones）。

近日，來自聖路易斯華盛頓大學的研究者提出一種無損編碼壓縮超高速成像（lossless-encoding compressed ultrafast photography ,LLE-CUP）技術，利用超高速相機有史以來第一次捕捉到光脈衝的「音爆」畫面，並稱「該技術有望用於監測大腦神經元放電（neurons fire）以及腦內活動成像」。該研究於1月20日發表在《科學進展》（Science Advance）雜誌上。

激光入射通道「三明治」結構及其形成的「馬赫錐」：上下分別為混合物組成的平板（折射係數為nd），中間為填滿乾冰（紫色圓點）的狹小通道（折射係數ns）。圖片來源：Liang et al. Sci. Adv. 2017;3 : e1601814

光能夠在不同材料中獲得不同的傳播速度，這一物理現象極大地幫助了科學家用光產生「光子馬赫錐」的研究。該研究的第一作者、聖路易斯華盛頓大學光學工程師梁金陽（Jinyang Liang）及其團隊，設計了一個塞滿乾冰的狹小通道，並將該狹小通道夾在兩層用硅膠及氧化鋁粉末混合物組成的平板之間，形成一個「三明治」夾層結構。利用這套系統，研究者第一次對這些難以捉摸的「光子馬赫錐」進行了成像。

研究人員向該狹小通道發射綠色激光脈衝，每個激光脈衝僅持續7皮秒（註：1皮秒為1萬億分之一秒）。狹小通道中的乾冰雜質能夠散射入射的激光脈衝，從而使散射的激光光線進入周圍的平板之中。

這裡，研究者所用的綠色激光在狹小通道中的傳播速度比周圍平板中的傳播速度快。因此，當激光脈衝沿著通道向下移動時，在平板內，就會在光脈衝之後留下一個慢速移動的錐形重疊光波。

為了可視化捕獲這些難以捉摸的光散射現象，研究人員開發出一種「條紋相機」（streak camera），能夠在單次曝光中以每秒千億幀的速度捕獲圖像。研究者利用這種創新性相機捕獲了激光脈衝散射現象的三個不同的視角：一個是場景的直接圖像，另外兩個記錄了激光散射現象的時態信息，以便研究人員逐幀地重建光散射的過程。

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研究者「對每幀單獨的圖像都標記了不同的條形碼」，所以，即使在數據採集過程中圖像都混在一起了，研究者也能將其整理出來。

其實，當前還有其他超高速成像系統能夠捕捉此類現象，然而這些系統通常都需要記錄數百或數千次曝光畫面才能真正捕捉到。相比之下，研究者此次提出的新型超高速成像系統僅需一次曝光就能捕捉超高速現象的畫面。

這種簡單、高效的新型技術有助於捕獲那些複雜、不可預測的事件及現象，那些可能不會以完全相同的方式重複發生的事件及現象。就如梁金陽團隊所捕獲的「光子馬赫錐」的情況，散射激光的微小乾冰雜質點每次都會隨機移動。

研究人員稱，該新型技術有望在複雜的生物醫學背景中（如活組織或流動的血液）實時捕獲超快速事件或現象。「我們的相機捕捉足夠快，對於觀察大腦中神經元放電現象以及腦內活動的成像，我們的相機速度絕對足夠快。」梁金陽稱，「我們希望能夠利用這種超快速系統來研究大腦神經網路，最終了解大腦如何工作。」

參考論文：Liang et al. Sci. Adv. 2017;3 :e1601814