Ученые из России создали сверхбыструю голографическую камеру
Физики из Университета ИТМО создали сверхбыструю цифровую камеру, способную получать трехмерные фотографии микроскопических объектов со скоростью в 20 триллионов кадров в секунду, говорится в статье, опубликованной в журнале Applied Physics Letters.
"Теоретически, такая камера способна запечатлеть даже переход электрона на другую орбиту. Но главное, теперь мы можем изучать жизнедеятельность клеток не пассивно, а инициируя в них определенные процессы. Например, нагревая или перемещая вирусы, отдельные клетки и их структуры в пространстве с помощью фемтосекундных лазерных импульсов", - рассказывает Арсений Чипегин из Университета ИТМО в Санкт-Петербурге, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
Многие процессы в клетках нашего тела и в других уголках микромира происходят практически молниеносно, за доли наносекунды или даже меньшее время. В последние годы физики и биологи научились следить за ними, используя сверхкороткие, но при этом мощные импульсы лазеров, которые длятся несколько десятков фемтосекунд, квадриллионных долей секунды.
Проблема заключается в том, что подобные вспышки обычно бывают несовместимыми с живыми тканями и трехмерными конструкциями, так как они или повреждаются при облучении рентгеном, или же не позволяют непрерывно следить за процессами внутри них. Кроме того, для работы многих этих методик требуется "подсветка" интересующих ученых молекул и частей клетки при помощи особых светящихся молекул, что также не всегда возможно в таких экспериментах.
Для решения этой проблемы Чипегин и его коллеги создали сверхбыструю систему записи голограмм, которая позволяет сканировать трехмерную форму объекта примерно 20 триллионов раз в секунду, используя серии лазерных импульсов, скомпонованных необычным образом.
Как рассказывают ученые, их камера разбивает единичные вспышки лазера на три пучка, каждый из которых играет свою собственную роль. Первый, самый мощный импульс, сталкивается с молекулами внутри клеток или других фотографируемых структур и возбуждает их, а второй луч - проходит через него позже с другой стороны и рассеивается на их атомах.
Третий луч, в свою очередь, проходит мимо образца и затем соединяется со вторым импульсом и формирует две голографические картинки. Эти картинки затем обрабатываются и "вычитаются" друг из друга при помощи компьютера, что позволяет получить "чистую" картинку фотографируемого объекта.
Подобный подход, как отмечают исследователи, позволяет получать четкие трехмерные картинки без необходимости повышать контрастность изображения или делать образцы достаточно тонкими для их "просветки" лазером.
В качестве демонстрации работоспособности этой "голокамеры" Чипегин и его коллеги получили при ее помощи фотографии так называемого "филамента" - искры, возникающей в воздухе при прохождении через него луча лазера.
Скорость работы камеры и ее разрешение, как отмечают исследователи, можно увеличить, если повысить мощность и уменьшить длительность изначального лазерного импульса. В принципе, как отмечает Чипегин, ничто не мешает улучшить подобную систему до таких пределов, что она сможет следить не только за движением отдельных клеток, но и электронов внутри атомов и молекул.
