Нова надшвидкісна камера дозволила побачити ударну хвилю, яка виникає при русі світла

Вчені з Вашингтонського університету розробили і створили нову надшвидкодіючі камеру, здатну знімати процес руху імпульсу лазерного світла.

Більш того, нова камера, яка робить 100 мільярдів кадрів в секунду, виявилася здатною побачити світловий “конуса Маха”, оптичний еквівалент звуковий ударної хвилі, що виникає при переході літаком звукового бар’єру. Наявність подібної технології зйомки дозволить вченим зробити спостереження за швидкісними явищами, що виникають, наприклад, в момент активації нейронів мозку або при зіткненні невловимих частинок нейтрино з ядрами атомів звичайної матерії.

Літак створює конус Маха в момент, коли його швидкість підвищується, проходячи через значення, рівне швидкості поширення звуку, один Мах. Оскільки двигуни літака є джерелами сильного звуку, а літак переміщається швидше звуку, то звукові хвилі від двигунів накладаються один на одного, стискаються і поширюються в просторі у вигляді конуса, на вершині якого знаходиться літак. І, виявляється, що все те ж саме відбувається і при русі світла.

Для забезпечення умов виникнення оптичного конуса Маха дослідники виготовили дві панелі з силіконового складу, який був наповнений дрібними алюмінієвими частками, межі яких виступали в ролі дзеркал, що відбивають світло в сторону датчика камери. На кордоні цих двох панелей був зроблений канал, наповнений звичайним повітрям. Крім цього в повітря в каналі був “подмешан” створений за допомогою шматка сухого льоду туман, який робив видимим сам імпульс лазерного світла.

Оскільки силікон має коефіцієнт заломлення, відмінний від коефіцієнта заломлення повітря, світло в його середовищі поширюється повільніше, ніж в повітрі. І при переході з силікону в повітря світло прискорюється і переходить “світловий бар’єр”, що викликає виникнення оптичного еквівалента конуса Маха.

Для фіксації зображень використовувалися три камери, одна з яких була щілинний камерою зі спеціалізованим CCD-датчиком. Такий метод відомий давно і він дозволяє знімати дуже швидкі явища, правда ширина зображення, одержуваного за один раз, становить всього один піксель. В даному випадку щілину об’єктива камери була розширена і за один раз камери отримували зображення, шириною в два пікселя.

Перед об’єктивом камери був встановлений шаблонний фільтр, за допомогою якого за кілька проходів було отримано зображення, що нагадує штрих-код. На основі цього зображення комп’ютер, за допомогою алгоритмів і складної обробки відновив повну тривимірну картину процесів, що відбуваються. Дві додаткові камери використовували стандартний метод швидкісної зйомки і їх дані були використані для збільшення роздільної здатності і якості кінцевого знімка.