高速攝影機具有快速連續(xù)拍照的特點，從而可以用來觀測諸多超快動態(tài)現(xiàn)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(xì)胞中的沖擊波相互作用過程以及各種化學(xué)反應(yīng)等等。想要對微小的超快動態(tài)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(dāng)前已有的單次多幅超快成像技術(shù)存在著攝影頻率、空間分辨率等各個參數(shù)之間相互制約的瓶頸。
深圳大學(xué)李景鎮(zhèn)/徐世祥教授團(tuán)隊最近研發(fā)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(tǒng)。這是一種全光的技術(shù)，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(tuán)隊的設(shè)計基于一組光參量放大器。這種放大器包含一非線性光學(xué)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(jìn)行光學(xué)放大，同時還能將信號光信息傳遞給另一新產(chǎn)生的低頻光（閑頻光），即具有像轉(zhuǎn)換器的作用。由于閑頻光只有當(dāng)泵浦光和信號光在時間重疊的時候才發(fā)生，因此，泵浦光選用超短脈沖可以發(fā)揮成像快門作用。將光參量放大器設(shè)計在非共線工作模式，可實現(xiàn)閑頻光與信號光和泵浦光的空間分離。
圖1成像系統(tǒng)的原理圖。采樣脈沖（The sampling）照射目標(biāo)物體，經(jīng)過4個光學(xué)成像轉(zhuǎn)換器（OIC），即非共線光參量放大器。當(dāng)泵浦光脈沖（標(biāo)記為“Trigger”）入射OPA時，產(chǎn)生閑頻光（標(biāo)記為“Recorded”）。在泵浦光脈沖之間引入延遲，可以通過使用傳統(tǒng)的CCD相機拍攝閑頻光來獲取時序多幅圖像。
這樣的設(shè)備在高速成像系統(tǒng)中有何優(yōu)勢呢？答案在于系統(tǒng)利用了多級串聯(lián)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(dá)飛秒級，即在泵浦光觸發(fā)下光參量放大器將包含目標(biāo)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(dāng)攜帶物信息的信號光經(jīng)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(fā)產(chǎn)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(xù)邁向第二個放大器。就像瀑布中的水流一樣，當(dāng)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(fā)產(chǎn)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(xiàn)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(xué)延遲線可實現(xiàn)對它們相對時間延時的精確調(diào)整，從而實現(xiàn)對成像時間點的精確控制。作為原理性實驗，通過四個級聯(lián)的放大器，四個普通商業(yè)CCD相機和四個不同的光學(xué)延遲線，創(chuàng)建了一套可連續(xù)快速拍攝4張照片的系統(tǒng)。借助于飛秒脈沖泵浦和非共線光參量放大設(shè)計，本系統(tǒng)很方便地實現(xiàn)了飛秒時間分辨的系列時序分幅成像從時間到空間的轉(zhuǎn)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(yīng)。
時序圖像的拍攝速度/頻率主要取決于相鄰兩個光學(xué)延遲線之差。實驗上，該系統(tǒng)實現(xiàn)了15萬億幅/秒的有效攝影頻率，這創(chuàng)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(fā)各級OPA和產(chǎn)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(jié)合超高的攝影頻率，該系統(tǒng)可以觀測諸多超快物理現(xiàn)象。該研究團(tuán)隊展示了利用該裝置實現(xiàn)對等離子體光柵和旋轉(zhuǎn)速度為10萬億弧度/秒的旋轉(zhuǎn)光場（如圖2所示）。
圖2旋轉(zhuǎn)光場以10萬億弧度/秒旋轉(zhuǎn)的四幅時序圖像
該成像系統(tǒng)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(tài)空間分辨等價于其靜態(tài)空間分辨。實驗結(jié)果也很好的展示了該裝置可應(yīng)用于高速顯微成像。
Advanced Photonics共主編Anatoly Zayats教授認(rèn)為“深圳大學(xué)的研究團(tuán)隊展示了快門速度創(chuàng)紀(jì)錄的超高速攝影成像技術(shù)，這項研究為在各個領(lǐng)域研究超快過程提供了新的機會?！?/p>
這種成像技術(shù)可很便捷地拓展到顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，并且未來的研究將會進(jìn)一步發(fā)掘這個方向上的潛力，從而讓我們對超快瞬態(tài)現(xiàn)象有更清晰的了解。
論文發(fā)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(xué)徐世祥教授為通訊作者。
成果聯(lián)系人：徐世祥，15889671036
（物理與光電工程學(xué)院 供稿）
