Пути световых лучей: ученые сняли на видео распространение света в трехмерном пространстве

06 августа 2020 | 09:00

Ученые нашли способ вычислить точные траектории лучей света в трехмерном пространстве. Сверхбыстрые камеры фиксировали распространение света и раньше, однако новая технология добавляет на запись перспективу, которую восстанавливает компьютерный алгоритм, а также строит трехмерную модель.

Препринт доступен на arXiv.org.

Рапидная съемка шагнула далеко вперед по сравнению с XX веком, когда с ее помощью снимали пулю в полете или протекание взрыва. Современные камеры могут записывать видео со скоростью до десяти триллионов кадров в секунду, что достаточно для того, чтобы видеть полет луча. Строго говоря, сам по себе лазерный луч невидим, если смотреть на него со стороны. То, что видно на кадрах — это результат рассеяния света на материале, сквозь который он протекает, подобно тому, как лучи Солнца проявляются на пылинках. Однако картинка, как правило, получается двумерной, поскольку съемка ведется одной камерой. Кроме того, некоторые типы камер слишком медленно (в масштабе пикосекунд) реагируют на «выключение света», и лучи кажутся длиннее, чем они есть. 

Казухиро Моримото (Kazuhiro Morimoto) из Федеральной политехнической школы Лозанны и его коллеги придумали способ, как добавить в кадр перспективу. В основе метода лежит понимание того, что скорость света, хоть и разная в разных средах, внутри одной среды всегда одна. Поэтому если луч в экранной плоскости распространяется медленнее, чем должен, значит, он летит под углом к камере.

Ученые использовали камеру на однофотонных лавинных фотодиодах с интервалом между кадрами в 10 наносекунд. Сначала они сфотографировали статичный фон, поскольку для этого требуются другие настройки, после чего выпустили пикосекундный луч лазера в систему зеркал и записали это на видео. Далее необработанный исходник обработал компьютерный алгоритм, который на основе скорости распространения луча восстанавливал угол его полета и реальное местоположение, после чего строил четырехмерную (включая время) модель.

Кроме того, обработка видео позволила дорисовать на нем воспринимаемую человеком перспективу, в результате чего точно видно, через какую точку пространства в данный момент проходит лазер. Ученые рассчитывают, что их метод может быть применим, например, в оптической томографии. Поскольку он предоставляет точные пути полета лучей, то можно будет на основе этих данных изучать оптические свойства объекта.

Ранее сообщалось, что американские физики с помощью квантового компьютера провели эксперимент, похожий на путешествие во времени.