全球最快相機誕生！一秒「眨眼」10萬億次 連光的慢動作都可以成功捕獲

美國加州理工學院的科學家們近日宣布，已開發出可能是世界上最快的相機T-CUP，它可以每秒捕獲10萬億幀，這使得「時間凍結」和在極慢的運動中捕獲、觀察光線成為可能。

（圖源：INRS）

該研究與10月11日發表在《光：科學與應用》（Light: Science & Applications）雜誌上。研究表明，基於飛秒條紋相機的新系統採用了數據收集類別，這類數據收集主要用於層析成像等應用。

世界上最快的相機T-CUP

這台創造實時成像速度的世界紀錄，被稱為T-CUP（壓縮超快速攝影）的相機，可以為生物醫學、材料科學和其他應用的新一代顯微鏡提供動力。

該相機帶來了一次里程碑式的突破，靠著無與倫比的瞬間解析度分析光與物質之間的相互作用，首次成為了可能。

T-CUP相機通過實時捕捉單個飛秒激光脈衝的瞬間聚焦，創造了一個新的「速度奇蹟」。

圖：飛秒激光脈衝在2.5 Tfps時間聚焦形成的實時成像

整個過程中，相機以400飛秒間隔拍攝的25幀中，並詳細說明了光脈衝的形狀、強度和傾斜角度。

「這本身就是一項成就，」INRS（法國一所大學）的超快成像專家Jinyang Liang說，他同時是COIL（加州理工學院光學成像實驗室）的工程師，當時正在進行研究。

「但我們已經看到了將速度提高到每秒高達一千萬億幀的可能性。這樣的速度肯定會提供提供一系列新見解，幫助發掘光與物質之間相互作用的尚未檢測到的秘密。」他補充道。

在正常情況下，人眼觀察到的光束是一下子出現的，但事實上，光子本身就如水管中的水一樣快速射出，只是人眼無法看清和捕捉這一細微的過程。

壓縮式超快攝影（Compressed Ultrafast Photography）

近年來，非線性光學和成像技術創新之間的聯繫，為生物學和物理學中動態現象的微觀分析提供了新的高效方法。然而，利用這些方法的潛力需要一種在非常短暫的時間內實時記錄圖像來輔助和改進，而且要在一次曝光中完成。

對比之下，使用當前的成像技術，對超短激光脈衝進行的測量則必須重複多次，這適用於某些類型的惰性樣品，但對於其他更脆弱的樣品則不可能。

圖：T-CUP的操作原理

例如，激光雕刻玻璃只能承受一次激光脈衝，只留下不到一皮秒的時間來捕獲結果。在這種情況下，成像技術必須能夠實時捕獲整個過程。

壓縮超快攝影（CUP）是一個很好的起點。每秒1000億幀，這種方法接近——但仍不符合集成飛秒激光器所需的規格。

為了改進這一概念，新的T-CUP系統是基於飛秒條紋相機開發的，該相機還採用了在斷層攝影等應用中使用的數據採集類型。

加州理工學院光學成像實驗室（COIL）主任Lihong Wang說：「我們知道，只使用飛秒條紋相機，圖像質量就會受限。」

「為了改善這一點，我們添加了另一個獲取靜態圖像的相機。結合飛秒條紋相機獲得的圖像，我們可以使用所謂的Radon變換來獲得高質量的圖像，同時每秒記錄10萬億幀。」Lihong Wang補充道。

就具體應用而言，T-CUP相機創造了實時成像速度的世界紀錄，將有望促進生物醫學、材料科學和其他應用的新一代顯微鏡性能提高。

註：本文圖源來自Light: Science & Applications雜誌期刊。

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