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深圳大學李景鎮/徐世祥教授團隊研發出15萬億幅/秒的全光超快高時空分辨成像系統

發布時間:2020-11-11

高速攝影機具有快速連續拍照的特點,從而可以用來觀測諸多超快動態現象,例如精密加工和制造過程的飛秒激光燒蝕、核聚變過程的快點火、活體細胞中的沖擊波相互作用過程以及各種化學反應等等。想要對微小的超快動態過程成像,要求高速攝影機具備高的攝影頻率與空間分辨率。然而,當前已有的單次多幅超快成像技術存在著攝影頻率、空間分辨率等各個參數之間相互制約的瓶頸。

深圳大學李景鎮/徐世祥教授團隊最近研發出了一種具有高時空分辨率和高攝影頻率的全光超快成像系統。這是一種全光的技術,成像過程沒有任何運動原器件,因此成像速度可以不受機械或電動掃描帶來的瓶頸限制。

該團隊的設計基于一組光參量放大器。這種放大器包含一非線性光學晶體,它可以在一強高頻光泵浦(泵浦光)下,對另一弱的低頻光(信號光)的信息進行光學放大,同時還能將信號光信息傳遞給另一新產生的低頻光(閑頻光),即具有像轉換器的作用。由于閑頻光只有當泵浦光和信號光在時間重疊的時候才發生,因此,泵浦光選用超短脈沖可以發揮成像快門作用。將光參量放大器設計在非共線工作模式,可實現閑頻光與信號光和泵浦光的空間分離。

圖1成像系統的原理圖。采樣脈沖(The sampling)照射目標物體,經過4個光學成像轉換器(OIC),即非共線光參量放大器。當泵浦光脈沖(標記為“Trigger”)入射OPA時,產生閑頻光(標記為“Recorded”)。在泵浦光脈沖之間引入延遲,可以通過使用傳統的CCD相機拍攝閑頻光來獲取時序多幅圖像。

這樣的設備在高速成像系統中有何優勢呢?答案在于系統利用了多級串聯的光參量放大器(如圖1所示)。在每個光參量放大器中,泵浦光是飛秒脈沖,意味著成像快門達飛秒級,即在泵浦光觸發下光參量放大器將包含目標物體信息的信號光映射到閑頻光上的時間分辨為飛秒級。而成像的時間點取決于信號光與泵浦快門的相對時間。當攜帶物信息的信號光經過第一個放大器時,第一個放大器的泵浦光在第一時間觸發產生第一閑頻光。該閑頻光出射方向與泵浦光/信號光空間分離,因此可以用“靜候在一邊”的第一CCD相機來捕捉物體信息。同時信號光繼續邁向第二個放大器。就像瀑布中的水流一樣,當信號光束來到第二個放大器時,第二泵浦光在第二個時刻觸發產生第二閑頻光。旁邊“靜候”的第二CCD相機記錄下第二幅像。依次類推,可實現第三、第四......分幅成像。由于所有的泵浦光均源于同一飛秒脈沖,因此利用光學延遲線可實現對它們相對時間延時的精確調整,從而實現對成像時間點的精確控制。作為原理性實驗,通過四個級聯的放大器,四個普通商業CCD相機和四個不同的光學延遲線,創建了一套可連續快速拍攝4張照片的系統。借助于飛秒脈沖泵浦和非共線光參量放大設計,本系統很方便地實現了飛秒時間分辨的系列時序分幅成像從時間到空間的轉換,并被系列旁邊“靜候”的相機“傻傻”地接收。這些記錄相機無需快時間響應。

時序圖像的拍攝速度/頻率主要取決于相鄰兩個光學延遲線之差。實驗上,該系統實現了15萬億幅/秒的有效攝影頻率,這創造了高空間分辨相機有效攝影頻率的新記錄。時間分辨率取決于觸發各級OPA和產生閑頻光的激光脈沖寬度。本實驗該脈沖寬度為50fs(五千萬分之一納秒)。結合超高的攝影頻率,該系統可以觀測諸多超快物理現象。該研究團隊展示了利用該裝置實現對等離子體光柵和旋轉速度為10萬億弧度/秒的旋轉光場(如圖2所示)。

圖2旋轉光場以10萬億弧度/秒旋轉的四幅時序圖像

該成像系統的另一特點是成像過程中沒有任何運動,這意味著它的動態空間分辨等價于其靜態空間分辨。實驗結果也很好的展示了該裝置可應用于高速顯微成像。

Advanced Photonics共主編Anatoly Zayats教授認為“深圳大學的研究團隊展示了快門速度創紀錄的超高速攝影成像技術,這項研究為在各個領域研究超快過程提供了新的機會。”

這種成像技術可很便捷地拓展到顯微成像技術領域,并且未來的研究將會進一步發掘這個方向上的潛力,從而讓我們對超快瞬態現象有更清晰的了解。

論文發表在Advanced Photonics2020年第5期(Xuanke Zeng et al. High-spatial-resolution ultrafast framing imaging at 15 trillion frames per second by optical parametric amplification. Advanced Photonics, 2020, 2(5): 056002)。曾選科博士為該文的第一作者,主要參與者包括鄭水欽博士、蔡懿博士等。深圳大學徐世祥教授為通訊作者。

(物理與光電工程學院 供稿)

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