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miércoles, 17 de octubre de 2018

La cámara más rápida del mundo

La mayoría de las cámaras modernas permiten exposiciones a velocidades de hasta 1/1.000 segundo. Mediante un sistema mecánico, un obturador, se consigue hacer pasar la luz e impresionar la película o el sensor hasta en una milésima de segundo. En 1931, el ingeniero electrónico Harold Eugene Edgerton consiguió realizar instantáneas a una velocidad de 1/500.000 segundo. Para superar la barrera mecánica de la apertura a velocidades como la mencionada, se invirtió el proceso, en vez de dejar pasar la luz, lo que se generó fue un haz de luz con un destello de 1/500.000 segundos. Fue la primera lámpara electroboscópica que permitía fotografiar la trayectoria de una bala. Un juego de niños para lo que se consigue ahora. Foto.

La nueva cámara más rápida del mundo ve el movimiento de los láseres a 10 billones de fotogramas por segundo [1].
La revista científica Nature es un pozo sin fondo de sabiduría. Como ocurre con las bodegas donde se guardan las mejores añadas, los buenos caldos hay que guardarlos celosamente para saborearlos con tranquilidad. Esta mañana tenía un par de horas de asueto así que he rebuscado en mi bodega y he recuperado un artículo que guardé el pasado agosto. El día 8 de ese mes, Nature publicaba un artículo sobre la cámara fotográfica más rápida del mundo que un grupo de investigadores del Instituto Tecnológico de California (Caltech) acababa de presentar.
Confieso que mis conocimientos sobre fotografía se pueden comparar con los que poseo de chino mandarín, pero después de muchos años trabajando y viajando con mi amigo el excelente fotógrafo científico Luis Monje, algo he aprendido. Le dedico este post con el ruego de que sea benevolente con mis involuntarios (aunque voluntariosos) errores.
Empezaré con una pregunta. ¿Qué haces cuando tienes un experimento que ha terminado demasiado rápido para que lo vean incluso las cámaras más rápidas del mundo? Para el trío de investigadores del Caltech la respuesta era bien simple: construir una cámara más rápida.
Hasta ahora, las cámaras de video más rápidas del mundo tenían una velocidad de fotogramas de milmillonésima parte de un segundo, es decir, de un nanosegundo (10-9 sg). Eso es ir muy rápido. Es el tiempo suficiente para que un rayo de luz recorra la longitud de un grano de alpiste. Pero para nuestros amigos de California no era lo suficientemente rápido, ¡qué le vamos a hacer! Antes de contar lo que hicieron, aclaremos un par de conceptos: láser pulsado y femtosegundo.
La palabra láser es un acrónimo de Ligh Amplification by Stimulated Emission of Radiation, El láser es s simplemente luz de excitación muy amplificada, y que, aunque tiene cuatro características que lo diferencian de la luz normal, para los efectos la principal es que es luz monocromática y sobre todo coherente, o sea, que todas sus crestas de onda van sincrónicas, por lo que, al no interferir entre ellas, su potencia es enorme y no se disipan con la distancia. De ahí que un buen rayo láser disparado a la luna solo se abriría poco más de 1 m.
El concepto le láser fue elaborado en primer lugar por Albert Einstein en 1917, pero hubo que esperar hasta 1954 para que Charles Townes demostrara prácticamente la hipótesis del Nobel alemán. Aunque la división es algo más complicada, para lo que aquí nos interesa podemos clasificarlos en dos grandes tipos: láseres continuos y pulsados. Los primeros son aquellos cuyo disparo es continuo desde su principio hasta su fin.
Un láser pulsado es un láser que emite luz en forma de pulsos (flashes), al contrario que los láseres que emiten luz de manera continua. Los láseres pulsados pueden emitir pulsos de muy corta duración, hasta de unos pocos femtosegundos, a un ritmo de miles de pulsos por segundo, y por tanto permiten estudiar fenómenos ultrarrápidos en la naturaleza, como el movimiento de los electrones en una molécula. No se me olvida, no. Un femtosegundo (fs) es la unidad de tiempo que equivale a la milbillonésima parte de un segundo, es decir, en un segundo hay mil billones de femtosegundos. Caben tantos en un segundo como segundos caben en 100 millones de años (En 100 millones de años caben 3.153.600.000.000.000 segundos, por si usted no había caído). Para los amigos de las comparaciones, 1 fs es lo que tarda en recorrer la luz la longitud de una bacteria. Para los amigos de las fórmulas sencillas: 1 fs = 10-15 sg.
Los investigadores que trabajaban con láseres avanzados, además de caber en un autobús, habían desarrollado una técnica llamada "enfoque temporal", en la que se podía hacer que un pulso láser se disparara en períodos de tiempo increíblemente cortos y comprimidos. Todo el haz de luz parecía pasar de una vez, aunque los investigadores sabían que los láseres enfocados temporalmente se comportaban de manera diferente a los láseres convencionales emitidos durante largos períodos de tiempo.
Pero las cámaras existentes eran demasiado lentas para estudiarlos. Algunos investigadores particularmente astutos habían desarrollado algunas formas de solucionar ese problema para llevar a cabo otros experimentos ultrarrápidos. Lo que hacían era ejecutar el mismo experimento una y otra vez frente a la misma cámara, hasta que habían reunido suficientes fotogramas diferentes para unirlos en una única película completa. Eso no funcionaba cuando ese laser comprimido se proyectaba contra una superficie de vidrio esmerilado; los investigadores querían ver qué aspecto tenía, pero sabían que se vería diferente cada vez. No había forma de unir múltiples experimentos en una sola película.
El dispositivo T-CUP. Foto.
Así que a nuestros tres científicos del Caltech se les ocurrió una tecnología que llaman fotografía ultrarrápida (T-CUP) de 10 billones de fotogramas por segundo de disparo único. El resultado ha sido un método de grabación es más rápido que su predecesor anteior desarrollado en 2017 por unos investigadores del Instituto Nacional de Investigación Científica (INRS) de la Universidad de Québec, Canadá. Según los expertos de ese Instituto, el nuevo dispositivo, que ha duplicado la velocidad de su propia cámara, que era de 5 millones de fps, los 10 billones de fps permitirán a T-CUP ‘detener el tiempo’ para observar y analizar fenómenos que en el pasado eran demasiado rápidos para ser estudiados, como algunas reacciones químicas o el movimiento de la propia luz, que ahora puede observarse a cámara lenta. Poder ver a la luz moverse, que es lo más rápido que existe en el universo, es algo extraordinario.
Si quiere contemplar una captura de un billón de imágenes por segundo, vea este vídeo (en inglés con subtítulos en castellano) y piense si en el vídeo de la botella de CocaCola, en vez de un pulso de luz disparásemos una bala, hasta que saliese por el otro extremo, el vídeo duraría varios años.
T-CUP funciona combinando datos de películas con datos de una imagen fija. Como describieron los investigadores en su artículo, T-CUP divide la imagen del láser en dos dispositivos: un grabador de movimiento y una cámara que realiza una exposición única de la escena. La cámara de video captura la escena al límite de lo que es posible ver. La cámara fija realiza una única y difuminada imagen del movimiento completo del láser. Luego, un ordenador combina los datos de las dos cámaras, utilizando la imagen manchada de la cámara para llenar los huecos en la película. ¿El resultado? Un video de 450 por 150 píxeles que dura 350 fotogramas.
De momento, no hay quien dé más. © Manuel Peinado Lorca. @mpeinadolorca.

[1Propiamente no debería llamarse cámara, sino sistema de imagen de alta velocidad, ya que el conjunto no está dentro de una cámara oscura, pero admítanmelo como licencia literaria.