Проста фізика: Властивості світла і детектори

ХВИЛЯ
Хвильова природа світла

ЧАСТИНКА
Квантова природа світла

Світло має властивості частинки Інтенсивність світла змінюється залежно від кількості частинок. Яскраве світло має багато частинок, а темне світло - мало частинок. Сигнали звукові та світлові порівнюються на малюнку праворуч. Коли сила (амплітуда) звукового сигналу (видно на осцилоскопі) поступово слабшає, сигнал стає все менше і менше, і, нарешті, зникає. Коли світловий сигнал з іншого боку поступово слабшає, сумарна кількість сигналу зменшується, але все ще може бути виявлена як кілька дискретних імпульсних сигналів. Це пояснюється тим, що один імпульс виявляється як одна легка частинка. Ці частинки світла називаються "фотонами".

Світло рухається зі швидкістю 300 000 км/с Швидкість світла настільки велика, що воно може пролетіти сім з половиною разів навколо Землі за одну секунду. Ця висока швидкість використовується у різноманітних технічних задачах, таких як оптичні комунікації, які забезпечують обмін великої кількості даних за короткий проміжок часу. Мілісекунда це одна тисячна секунди, одна мікросекунда - одна мільйонна секунди, наносекунда - одна мільярдна секунди, а пікосекунда - одна трильйонна секунди. Незважаючи на те, що світло може переміщатися 7,5 разів навколо Землі за одну секунду, але протягом пікосекунди воно переміщується лише на 0,3 мм (у вакуумі). Дослідження оптичних явищ, що відбуваються в екстра-короткі проміжки часу є вкрай важливими для нових областей науки, таких як фізика, хімія, біологія тощо.

ДЕТЕКТУВАННЯ У ШИРОКОМУ ДІАПАЗОНІ
Включаючи видиме світло

Людське око здатне бачити світло у дуже обмеженому діапазоні. Цей діапазон приблизно від 400 нм (нанометрів) до 700 нм. Він називається діапазоном видимого світла. Інші світлові діапазони, які ми звичайно не можемо бачити, містять велику кількість прихованої інформації. Компанія Hamamatsu Photonics розробляє системи, що здатні виявляти та формувати зображення у широкому спектрі включаючи рентгенівський та інфрачервоний діапазон.

ДЕТЕКТУВАННЯ СЛАБКОГО СВІТІННЯ  
Візуалізація методом підрахунку фотонів

Світло - це потік частинок, званий фотонами. Навколишнє середовище наповнене фотонами аж до перенасичення . Близько 200 трильйонів фотонів падають на нас коли ми знаходимось у приміщенні з середньою яскравістю освітлення від 200 до 400 люкс. Ця цифра падає до 1/1000 люкс при зоряному світлі у безмісячну ніч і знижується ще далі у регіон, з надзвичайно низьким рівнем освітленості менше однієї мільярдної люкса, в якому абсолютно неможливо щось бачити неозброєним оком. У цьому регіоні за секунду на кожний квадратний міліметр падає лише кілька фотонів. Сигнал, отриманий від одного фотона, настільки малий, що його не розрізняє типова високочутлива камера. Візуалізація підрахунком фотонів - це метод візуалізації зображення за надзвичайно низького рівня освітленості, шляхом виявлення окремих фотонів та їх положень, а потім шляхом інтеграції виявлених сигналів.

НАДШВИДКІСНЕ ДЕТЕКТУВАННЯ
Стрік-камера

Стрік-камера це пристрій для вимірювання явищ надвисокої швидкості (ультракоротких). На відміну від звичайної камери, яка фіксує фактичні зображення, стрік-камера демонструє зміни інтенсивності світла за цей надзвичайно короткий проміжок часу. Принцип роботи стрік-камери простий. Вхід світла у вигляді щілини перетворюється на електрони на фотоелектричній поверхні, що називається "фотокатодом". Ці електрони потім розгортаються на високій швидкості (зверху вниз) та реконвертуються назад у світлове зображення на фосфорному екрані. Зміни інтенсивності вхідного світла за одиницю часу можуть таким чином спостерігатися як зміни яскравості зображення, які розташовуються зверху вниз. Компанія Hamamatsu Photonics розробила та реалізувала новітню камеру з роздільною здатністю до 100 фемтосекунд.