Новая сверхскоростная камера позволила увидеть ударную волну, возникающую при движении света

Ученые из Вашингтонского университета разработали и создали новую сверхбыстродействующую камеру, способную снимать процесс движения импульса лазерного света. Более того, новая камера, делающая 100 миллиардов кадров в секунду, оказалась способной увидеть световой "конуса Маха", оптический эквивалент звуковой ударной волны, возникающий при переходе летящим самолетом звукового барьера. Наличие подобной технологии съемки позволит ученым произвести наблюдения за скоростными явлениями, возникающими, к примеру, в момент активации нейронов мозга или при столкновении неуловимых частиц нейтрино с ядрами атомов обычной материи.
Источник
Источник на русском языке

Летящий самолет создает конус Маха в момент, когда его скорость повышается, проходя через значение, равное скорости распространения звука, один Мах. Поскольку двигатели самолета являются источниками сильного звука, а самолет перемещается быстрее звука, то звуковые волны от двигателей накладываются друг на друга, сжимаются и распространяются в пространстве в виде конуса, на вершине которого находится самолет. И, оказывается, что все тоже самое происходит и при движении света.
Для обеспечения условий возникновения оптического конуса Маха исследователи изготовили две панели из силиконового состава, который был наполнен мельчайшими алюминиевыми частицами, грани которых выступали в роли зеркал, отражающих свет в сторону датчика камеры. На границе этих двух панелей был сделан канал, наполненный обычным воздухом. Помимо этого в воздух в канале был "подмешан" созданный при помощи куска сухого льда туман, который делал видимым сам импульс лазерного света.

Поскольку силикон имеет коэффициент преломления, отличный от коэффициента преломления воздуха, свет в его среде распространяется медленнее, чем в воздухе. И при переходе из силикона в воздух свет ускоряется и переходит "световой барьер", что вызывает возникновение оптического эквивалента конуса Маха.
Для фиксации изображений использовались три камеры, одна из которых являлась щелевой камерой со специализированным CCD-датчиком. Такой метод известен давно и он позволяет снимать очень быстрые явления, правда ширина изображения, получаемого за один раз, составляет всего один пиксель. В данном случае щель объектива камеры была расширена и за один раз камеры получали изображение, шириной в два пикселя.

Перед объективом камеры был установлен шаблонный фильтр, при помощи которого за несколько проходов было получено изображение, напоминающее штрих-код. На основе этого изображения компьютер, при помощи алгоритмов и сложной обработки восстановил полную трехмерную картину происходящих процессов. Две дополнительные камеры использовали стандартный метод скоростной съемки и их данные были использованы для увеличения разрешающей способности и качества конечного снимка.