世界上最快的相机以每秒 156 万亿帧的速度捕捉镜头

该相机可以生成令人惊叹的快速过程片段，并可以帮助科学家创建超快磁记忆和开创性的超声波医疗。

科学家表示，世界上最快的相机能够以每秒 156 万亿帧 (fps) 的速度捕捉镜头，为了解以前无法看到的超快现象打开了一扇新窗口。

新设备采用新颖的光学技术从超快激光的单个脉冲中捕获 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设备。

这项技术让科学家能够记录飞秒（万亿分之一秒）内发生的现象。研究人员在论文中写道，该技术可以提供影响不同研究和开发领域的宝贵见解，从创建新的计算机存储技术到超声医学治疗。

“这台相机不仅仅是一个玩具，它实际上是一个非常重要的科学设备，”主要作者、魁北克国家科学研究所 (INRS) 光学副教授Jinyang Liang城市告诉《生活科学》。 “我们即将开发出一种非常通用的成像系统，使我们能够看到许多以前无法观察到的现象。”

梁说，对超快现象进行成像时的主要挑战是，即使是最快速的相机传感器也只能以几亿帧/秒的速度捕捉镜头。但自然界中的许多事件发生的时间尺度比这快五到六个数量级。

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捕捉超快现象的标准方法包括向它们发射激光脉冲，然后测量反射或吸收的光量。这会重复多次，每次都针对仅相隔几飞秒的不同时间窗口。但梁说，这种“泵和探针”方法仅适用于静态样品或精确可重复的现象。

尽管特殊光电传感器的速度已高达 10 万亿帧/秒，但对于许多现象来说仍然不够快。 2020 年，梁与他人共同撰写了一篇关于“压缩超快摄影”方法的论文，该方法实现了高达 70 万亿帧每秒的速度。现在，他的实验室通过一种被他们称为“扫描编码孔径实时飞秒摄影”的方法将这一记录增加了一倍多。

这种新方法依赖于一种称为“啁啾”激光的特殊光源，该光源的发现赢得了2018 年诺贝尔物理学奖。在这些激光器中，光的波长被拉长，因此不同颜色的光在不同的时间到达。

这意味着当该激光器的脉冲射向物体时，每个波长都会捕获不同时间点的信息。在梁和他的团队的装置中，光线随后穿过光栅，该光栅将波长分开并将它们发送到不同的方向。然后他们穿过一个看起来像二维码的面具。

这会在每个波长上印上略有不同的图案，梁说，这充当“条形码”，在后处理中将它们分开。然后，另一个光栅将所有波长重新组合成单个光束，该光束照射到图像传感器。

专门设计的软件使用条形码来计算出信号的哪些部分来自哪个波长——每个部分都与不同的时间点相关。这使得将单个快照分解为多个帧以创建短片成为可能。目前，该方法只能管理 132 帧长的电影（最长 850 飞秒），但该团队已经证明这可以捕获有趣的现象。

在他们的论文中，他们使用自己的装置记录了半导体吸收激光脉冲中的光子，以及用于对合金薄膜进行消磁的激光。梁说，后者对于开发基于磁性的新型计算存储器具有重大意义。 “我们对磁性材料消磁的速度基本上决定了我们实际写入或读取数据的速度，”他说。

他说，另一个有前景的应用是记录细胞如何响应超声波设备引起的冲击波，这可能对医学治疗产生影响。