科学家发明世界上最快相机 每秒可拍摄156万亿帧

【华人头条南北卡罗莱纳晨昕编译】科学家发明了一款新的相机，能够捕捉到令人叹为观止的快速过程——这可能帮助科学家开发超快磁性存储器和开创性的超声波医疗治疗。 

据科学家们称，这款世界上最快的相机能够以每秒156万亿帧（fps）的速度捕捉画面，为之前无法看见的超快现象开辟了新的窗口。新设备采用了一种新颖的光学技术，能从单一的超快激光脉冲中捕捉到132帧画面。科学家们在2月21日的《自然通讯》上介绍了这一新设备。 

这项技术让科学家能够记录发生在飞秒级别的现象——一飞秒等于十五次方分之一秒。研究人员在论文中写道，这项技术可以为从新型计算机内存技术到超声波医疗治疗等不同研究和开发领域提供宝贵的见解。 

“这台相机不仅仅是一个玩具，它实际上是一件非常重要的科学设备，”主要作者、魁北克市国家科学研究院（INRS）光学副教授Jinyang Liang介绍说。“我们正处于开发一种非常通用的成像系统的边缘，这可以让我们看到以前无法接触到的许多现象。” 

Liang表示，成像超快现象的主要挑战是，即使是反应最快的相机传感器也只能以每秒几亿帧的速率捕捉画面。但自然界中有很多事件的时间尺度比这快五到六个数量级。 

捕捉超快现象的标准方法包括向它们发射激光脉冲，然后测量有多少光被反射或吸收。这一过程需要多次重复，每次都针对只隔几个飞秒的不同时间窗口。但梁说，这种“pump and probe”方法只适用于静态样品或可以精确重复的现象。 

虽然特殊的光电传感器已经实现了每秒10万亿帧的速度，但对许多现象来说这仍然不够快。2020年，Liang参与撰写的一篇论文介绍了一种名为“压缩超快摄影”的方法，实现了每秒高达70万亿帧的速度。而现在他的实验室用他们称为“扫描编码光圈实时飞秒摄影”的方法将这一记录提高了一倍多。 

这种新方法依赖于一种称为“chirped”激光的特殊光源，该发现赢得了2018年的诺贝尔物理学奖。在这种激光中，光的波长被拉长，使得不同颜色的光在不同时间到达。 

这意味着，当这种激光的脉冲被向一个对象发射时，每种波长都从不同的时间点捕获信息。在Liang及其团队的设置中，光随后通过一个光栅，将波长分开并朝不同方向发送。然后它们通过一个类似QR码的掩模。 

这在每种波长中留下稍微不同的图案，Liang称这作为“条码”在后期处理中分离它们。另一个光栅然后将所有波长重新组合成一个单一的光束，该光束击中图像传感器。 

专门设计的软件使用条码来确定信号的哪些部分来自哪个波长——每个波长都对应不同的时间点。这使得将单一快照分解成多个帧来创建短片成为可能。目前，这种方法只能管理最多132帧的电影——即最长850飞秒，但该团队已经显示这可以捕捉到有趣的现象。 

在他们的论文中，他们使用他们的设置记录了半导体从激光脉冲中吸收光子的过程，以及激光被用来消磁合金薄膜的过程。后者对基于磁性的新计算内存的开发具有重大意义，Liang说。“我们能多快消磁磁性材料，基本上决定了我们实际上能多快地写入或读取数据。” 

另一个有希望的应用将是记录细胞如何对超声设备产生的冲击波做出反应，他说，这可能对医疗治疗有影响。