عملکرد خیره‌کننده سریع‌ترین دوربین جهان در ثانیه

خبرآنلاین: دانشمندان دوربین جدیدی ساحته‌اند، که از یک تکنیک نوری جدید با استفاده از لیزر فوق سریع بهره می‌گیرد. این فناوری به دانشمندان امکان می‌دهد تا پدیده‌هایی را که در فمتوثانیه‌ها رخ می‌دهند، ثبت کنند. بنابراین این فناوری می‌تواند در زمینه‌های مختلف تحقیق و توسعه، از ایجاد فناوری‌های حافظه رایانه‌ای جدید گرفته تا درمان‌های پزشکی اولتراسوند، تأثیر بگذارد.

این دوربین امکان مشاهده رویدادهایی را فراهم می‌آورد که دیدن آن‌ها تاکنون غیرممکن بود. در واقع چالش اصلی هنگام تصویربرداری از پدیده‌های فوق سریع آن است که حتی سریع‌ترین حسگرهای دوربین فقط می‌توانند با سرعت چند صد میلیون فریم در ثانیه فیلم بگیرند؛ اما بسیاری از رویدادها در طبیعت در مقیاس‌های زمانی پنج یا شش مرتبه سریع‌تر از این مقدار رخ می‌دهند.

اتفاقی که هنگام ثبت پدیده‌های فوق سریع می‌افتد آن است که یک پالس لیزر به سمت آنها شلیک می‌شود و سپس میزان بازتاب یا جذب نور اندازه‌گیری می‌شود. این کار بارها تکرار می‌شود و هر بار، پنجره زمانی متفاوت را هدف قرار می‌دهد که تنها با چند فمتوثانیه از هم فاصله دارد (هر ثانیه از ۱۰ به توان ۱۵ فمتوثانیه یا یک میلیون میلیارد فمتوثانیه تشکیل شده است). اما این رویکرد تنها برای نمونه‌های ساکن یا پدیده‌های دقیقاً تکرارپذیر کار می‌کند.

حسگرهای نوری ویژه به سرعتی تا 10 هزار میلیارد فریم در ثانیه دست یافته بودند که برای پدیده‌های بسیار سریع کافی نبود. در سال 2020، رویکردی به نام «عکاسی فوق سریع فشرده» به سرعت معادل ۷۰ هزار میلیارد فریم در ثانیه دست یافت و اکنون محققان با آزمایش‌های خود رکورد این سرعت را با رویکردی که «فمتو عکسبرداری بلادرنگ با دیافراگم کدگذاری شده جابجا شده» (SCARF) نامیده می‌شود، به سرعتی بیش از دو برابر قبل دست یافته‌اند.

رویکرد جدید متکی به یک منبع نوری خاص است. در این لیزرها، طول موج‌های نور به گونه‌ای کشیده می‌شود که نور با رنگ‌های مختلف در زمان‌های مختلف وارد عمل می‌شود. این بدان معناست که وقتی یک پالس از این لیزر به یک جسم شلیک می‌شود، هر طول‌موج اطلاعاتی را از نقاط زمانی مختلف دریافت می‌کند، نور سپس از یک توری عبور می‌کند که طول موج‌ها را به سمت بالا تقسیم می‌کند و آن‌ها را به جهات مختلف می‌فرستد. سپس از یک جایی عبور می‌کنند که شبیه یک کد QR است.

این الگوی متفاوت در هر طول موج به عنوان یک «بارکد» برای جداسازی آن‌ها در پردازش عمل می‌کند. توری دیگری سپس تمام طول موج‌ها را در یک پرتو واحد ترکیب می‌کند که به سنسور تصویر برخورد می‌کند. نرم افزار طراحی شده ویژه از بارکدها استفاده می‌کند تا بفهمد کدام بخش از سیگنال از کدام طول موج می‌آید و در نهایت هر کدام به نقاط زمانی مختلف مربوط می‌شوند.

تمام این فرآیند این امکان را فراهم می‌کند که یک عکس فوری به چند فریم تقسیم شود تا یک فیلم کوتاه ساخته شود. در حال حاضر، این رویکرد فقط می‌تواند فیلم‌هایی با طول ۱۳۲ فریم را مدیریت کند که حداکثر ۸۵۰ فمتوثانیه است، با این حال محققان نشان دادند که می‌توانند پدیده‌های جالبی را ثبت کند. آن‌ها در مقاله خود از این دوربین برای ضبط یک نیمه هادی که فوتون‌ها را از پالس لیزر جذب می‌کند و همچنین لیزری که برای مغناطیسی کردن یک فیلم آلیاژ استفاده می‌شود، استفاده کردند.

به گفته محققان دومین آزمایش پیامدهای مهمی برای توسعه حافظه محاسباتی جدید بر اساس مغناطیس دارد و اساساً تعیین می‌کند که واقعاً با چه سرعتی می‌توانند داده‌ها را بنویسند یا بخوانند. یکی دیگر از کاربردهای امیدوارکننده، ثبت واکنش سلول‌ها به امواج ضربه‌ای ناشی از دستگاه‌های اولتراسوند است که می‌تواند پیامدهایی برای تجهیزات پزشکی داشته باشد.