Физики сняли распространение ударной волны в воде с частотой триллион кадров в секунду

Физики создали камеру, которая позволяет снимать со скоростью триллион кадров в секунду и с ее помощью можно увидеть процессы, происходящие в прозрачных объектах — например, распространение ударной волны в воде и движение света в кристалле. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Высокоскоростная съемка используется учеными давно. С ее помощью можно изучать деформацию материала при ударе, следить за летящей пулей или началом ядерного взрыва. Но значительная часть интересных для изучения процессов прозрачны или почти прозрачны, такие как воздушный вихрь, взрывная волна или химические реакции. Для создания камеры, способной зафиксировать такие процессы, требуется не только добиться высокой частоты кадров, но и адаптировать технологию фазово-контрастной микроскопии, используемую для изучения бесцветных объектов.

Камера, созданная под руководством профессора Лихона Вана (Lihong Wang) из Калифорнийского технологического института называется pCUP (phase-sensitive compressed ultrafast photography). pCUP наследует ключевую особенность своего предшественника, камеры LLE-CUP. В отличие от обычных сверхбыстрых камер, она не делает много снимков с высокой частотой. Вместо этого снимается всего один кадр, но используемая в pCUP матрица записывает любое изменение картинки в период пока он длится. Это позволяет ускорить съемку в несколько раз.

Другой особенностью pCUP является использование фазово-контрастной съемки. В основном, мы видим объекты потому, что они изменяют яркость или цвет света. Прозрачные и бесцветные предметы, как воздух или стекло, мы замечаем благодаря эффектам преломления и отражения, но далеко не всегда, и заметить тонкий слой воды или очень чистое стекло под прямым углом к поверхности почти невозможно. Для фазово-контрастной съемки прозрачность объекта не является помехой, она фиксирует не яркость и не цвет, а сдвиг фаз света. 

Скорость распространения света различна для разных сред и материалов. Попадая из воздуха в стекло, световая волна замедляется. Изменяется скорость света и при разных температуре или плотности. Если даже представить себе абсолютно прозрачный предмет, то замедление им световой волны сдвинет ее фазу. Этот сдвиг фазы можно сделать видимым, сконструировав систему линз и, таким образом, увидеть и сам предмет.

Как результат, pCUP позволяет увидеть в замедленной съемке очень быстрые и прозрачные явления. В тестах, проведенных авторами, было снято распространение взрывной волны в воде и движение светового фронта лазера в кристалле. Ученые предполагают, что в дальнейшем изобретение может быть использовано для изучения сгорания топлива в двигателях, процесса передачи нервных импульсов и многого другого.

Ранее ученые изобрели рентгеновскую киносъемку, позволяющую увидеть внутреннюю структуру объектов в динамике. Также для наблюдения за движущимися клетками были приспособлены атомно-силовые микроскопы.

Василий Зайцев