首次！超高速相机捕捉到光的音爆画面

物体在空气中移动时，会推动其前方的空气，并产生向各个方向传播的、以声速移动的压力波。物体运行速度接近音速时，会有一股强大的阻力使物体产生强烈的振荡、速度衰减，这一现象被称为音障（Sound Barrier）。

当物体的移动速度等于或大于声速时（即突破音障），物体移动速度则超过了其产生的空气压力波。此时，压力波无法迅速传播出去，逐渐在物体的迎风面上累积而最终形成激波面。在激波面上，声学能量高度集中，产生类似于雷声的短暂而极其强烈的爆破声，称为“音爆”（Sonic Booms）。

通常，“音爆”被限制在一个称为“马赫锥”（Mach cones）的锥形区域内，主要从超音速物体的头部延伸到尾部。超音速飞机飞行速度突破音障时会产生锥形的音爆（sonic booms），类似的还包括汽艇行驶速度超过其在水中形成的水波速度时形成的V形船首激波（bow waves）。

早先研究表明，光脉冲也可以产生类似于“音爆”的锥形尾迹。超高速粒子产生冲击波，散射周围光线时，就可能形成“光子马赫锥”（Photonic Mach Cones）。

近日，来自圣路易斯华盛顿大学的研究者提出一种无损编码压缩超高速成像（lossless-encoding compressed ultrafast photography ,LLE-CUP）技术，利用超高速相机有史以来第一次捕捉到光脉冲的“音爆”画面，并称“该技术有望用于监测大脑神经元放电（neurons fire）以及脑内活动成像”。该研究于1月20日发表在《科学进展》（Science Advance）杂志上。

真空中，光的传播速度为299792458米/秒（国际公认值）。根据爱因斯坦的相对论，真空中没有任何物体的移动速度比光速更快。然而，光却能以远低于其本身最高速的速度缓慢传播。例如，光通过玻璃的速度大约是其最高速度的60％。事实上，根据以往的实验，目前研究者已经能将光速降低到其最大速度的100多万分之一。

激光入射通道“三明治”结构及其形成的“马赫锥”：上下分别为混合物组成的平板（折射系数为nd），中间为填满干冰（紫色圆点）的狭小通道（折射系数ns）。图片来源：Liang et al. Sci. Adv. 2017;3 : e1601814

光能够在不同材料中获得不同的传播速度，这一物理现象极大地帮助了科学家用光产生“光子马赫锥”的研究。该研究的第一作者、圣路易斯华盛顿大学光学工程师梁金阳（Jinyang Liang）及其团队，设计了一个塞满干冰的狭小通道，并将该狭小通道夹在两层用硅胶及氧化铝粉末混合物组成的平板之间，形成一个“三明治”夹层结构。利用这套系统，研究者第一次对这些难以捉摸的“光子马赫锥”进行了成像。

研究人员向该狭小通道发射绿色激光脉冲，每个激光脉冲仅持续7皮秒（注：1皮秒为1万亿分之一秒）。狭小通道中的干冰杂质能够散射入射的激光脉冲，从而使散射的激光光线进入周围的平板之中。

这里，研究者所用的绿色激光在狭小通道中的传播速度比周围平板中的传播速度快。因此，当激光脉冲沿着通道向下移动时，在平板内，就会在光脉冲之后留下一个慢速移动的锥形重叠光波。

为了可视化捕获这些难以捉摸的光散射现象，研究人员开发出一种“条纹相机”（streak camera），能够在单次曝光中以每秒千亿帧的速度捕获图像。研究者利用这种创新性相机捕获了激光脉冲散射现象的三个不同的视角：一个是场景的直接图像，另外两个记录了激光散射现象的时态信息，以便研究人员逐帧地重建光散射的过程。

研究者“对每帧单独的图像都标记了不同的条形码”，所以，即使在数据采集过程中图像都混在一起了，研究者也能将其整理出来。

其实，当前还有其他超高速成像系统能够捕捉此类现象，然而这些系统通常都需要记录数百或数千次曝光画面才能真正捕捉到。相比之下，研究者此次提出的新型超高速成像系统仅需一次曝光就能捕捉超高速现象的画面。

这种简单、高效的新型技术有助于捕获那些复杂、不可预测的事件及现象，那些可能不会以完全相同的方式重复发生的事件及现象。就如梁金阳团队所捕获的“光子马赫锥”的情况，散射激光的微小干冰杂质点每次都会随机移动。

研究人员称，该新型技术有望在复杂的生物医学背景中（如活组织或流动的血液）实时捕获超快速事件或现象。“我们的相机捕捉足够快，对于观察大脑中神经元放电现象以及脑内活动的成像，我们的相机速度绝对足够快。”梁金阳称，“我们希望能够利用这种超快速系统来研究大脑神经网络，最终了解大脑如何工作。”

参考论文：Liang et al. Sci. Adv. 2017;3 :e1601814