世界上最快的相机以每秒156万亿帧捕捉画面

By Edd Gent

2024/4/18 

Engineering

这种相机能生成令人惊叹快过程的片段，并可以帮助科学家创造超快的磁记忆和开创性的超声波医疗。

这种新装置用一种新颖的光学技术从一个超快激光的单个脉冲捕获132帧。 (Image credit: Getty Images/Klaus Vartzbed)

科学家们说，世界上速度最快的相机能以每秒156万亿帧捕捉镜头，打开一个探究以前不可能来看到的超快现象的新窗口。

这种新装置用一种新颖的光学技术从超快激光的单个脉冲捕获132帧。科学家们在2月21日发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中描述了这种新装置。

这项技术让科学家记录以飞秒（万亿分之一秒）发生的现象。研究人员在他们的论文中写道，这项技术可以提供有价值的影响不同的研发领域的洞察，从创造新的计算机存储技术到超声医疗。

主要作者、魁北克市国家科学研究所光学副教授梁金阳告诉《生活科学》杂志，“这台相机不止是一个玩具，它实际上是一个非常重要的科学设备，我们正处在开发一种非常通用的允许我们来看许多以前不能获得的现象的成像系统的边沿上” 。

梁说，当成像超快现象时主要挑战是甚至最快的相机传感器也只能以数亿帧/秒的速度捕捉镜头。但自然界中的许多事件发生在比这更快五六个数量级的时间尺度上。

来捕捉超块现象的标准方法涉及向它们发射一个激光脉冲，然后测量有多少光被反射或被吸收。这被重复多次，针对一个不同时间窗口的每一个刚好被相隔几飞秒。但梁说这种“泵和探针”的方法只对静态样本或精确的可重复的现象起作用。

尽管特殊的光电传感器已经取得了高达10万亿帧/秒的速度，但对许多现象这仍然不足够快。2020年，梁与人合著了一篇关于叫“压缩超快摄影”方法的论文，该方法取得了高达70万亿帧/秒的速度。现在，他的实验室以他们标榜为“扫频编码孔径实时飞秒摄影术”的方法已经倍增这一记录。

新方法依赖一种叫“啁啾”激光器的特殊光源，该光源的发现获得了2018年诺贝尔物理学奖。在这些激光中，光的波长被拉伸以便不同颜色的光在不同的时间到达。

这意味着当来自这种激光器的一个脉冲射向一个目标时，每个波长从不同时间点捕捉信息。在梁和他的团队的设置中，光穿过一个将波长分裂开并发送它们进不同方向中的光栅。然后它们穿过一个看起来像一个二维码一样的屏板。

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这在每个波长中印上一个略有不同的图案，梁说这起一个“条形码”的作用在后处理中将它们隔开出来。然后另一个光栅将所有波长重新结合成一个光束，这击中一个图像传感器。

专门设计的软件用条形码来算出信号的哪些部分正在来自哪个波长——每个相关到不同的时间点。这使来把一个单个快照分开成多个帧来创建一个短电影成为可能。目前，这种方法只能管理132帧长的电影，这高达850飞秒，但该团队已经表明这种方法能捕捉有趣的现象。

在他们的论文中，他们用他们的设置来记录一个半导体从一个激光脉冲吸收光子以及被用来消磁一个合金膜的激光。梁说，后者对开发基于磁性的新型计算存储器有重要意义。他说，“我们能多快消磁一种磁性材料基本上决定了我们实际上能多快写入或读取数据”。

他说，另一个承诺的应用将是记录细胞多对由超声波装置造成的冲击波反应的，这可能对医学治疗有影响。

https://www.livescience.com/technology/engineering/worlds-fastest-camera-captures-images-at-156-trillion-frames-per-second