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深圳大学李景镇/徐世祥教授团队研发出15万亿幅/秒的全光超快高时空分辨成像系统

发布时间:2020-11-11阅读量:

高速摄影机具有快速连续拍照的特点,从而可以用来观测诸多超快动态现象,例如精密加工和制造过程的飞秒激光烧蚀、核聚变过程的快点火、活体细胞中的冲击波相互作用过程以及各种化学反应等等。想要对微小的超快动态过程成像,要求高速摄影机具备高的摄影频率与空间分辨率。然而,当前已有的单次多幅超快成像技术存在着摄影频率、空间分辨率等各个参数之间相互制约的瓶颈。

深圳大学李景镇/徐世祥教授团队最近研发出了一种具有高时空分辨率和高摄影频率的全光超快成像系统。这是一种全光的技术,成像过程没有任何运动原器件,因此成像速度可以不受机械或电动扫描带来的瓶颈限制。

该团队的设计基于一组光参量放大器。这种放大器包含一非线性光学晶体,它可以在一强高频光泵浦(泵浦光)下,对另一弱的低频光(信号光)的信息进行光学放大,同时还能将信号光信息传递给另一新产生的低频光(闲频光),即具有像转换器的作用。由于闲频光只有当泵浦光和信号光在时间重叠的时候才发生,因此,泵浦光选用超短脉冲可以发挥成像快门作用。将光参量放大器设计在非共线工作模式,可实现闲频光与信号光和泵浦光的空间分离。

图1成像系统的原理图。采样脉冲(The sampling)照射目标物体,经过4个光学成像转换器(OIC),即非共线光参量放大器。当泵浦光脉冲(标记为“Trigger”)入射OPA时,产生闲频光(标记为“Recorded”)。在泵浦光脉冲之间引入延迟,可以通过使用传统的CCD相机拍摄闲频光来获取时序多幅图像。

这样的设备在高速成像系统中有何优势呢?答案在于系统利用了多级串联的光参量放大器(如图1所示)。在每个光参量放大器中,泵浦光是飞秒脉冲,意味着成像快门达飞秒级,即在泵浦光触发下光参量放大器将包含目标物体信息的信号光映射到闲频光上的时间分辨为飞秒级。而成像的时间点取决于信号光与泵浦快门的相对时间。当携带物信息的信号光经过第一个放大器时,第一个放大器的泵浦光在第一时间触发产生第一闲频光。该闲频光出射方向与泵浦光/信号光空间分离,因此可以用“静候在一边”的第一CCD相机来捕捉物体信息。同时信号光继续迈向第二个放大器。就像瀑布中的水流一样,当信号光束来到第二个放大器时,第二泵浦光在第二个时刻触发产生第二闲频光。旁边“静候”的第二CCD相机记录下第二幅像。依次类推,可实现第三、第四......分幅成像。由于所有的泵浦光均源于同一飞秒脉冲,因此利用光学延迟线可实现对它们相对时间延时的精确调整,从而实现对成像时间点的精确控制。作为原理性实验,通过四个级联的放大器,四个普通商业CCD相机和四个不同的光学延迟线,创建了一套可连续快速拍摄4张照片的系统。借助于飞秒脉冲泵浦和非共线光参量放大设计,本系统很方便地实现了飞秒时间分辨的系列时序分幅成像从时间到空间的转换,并被系列旁边“静候”的相机“傻傻”地接收。这些记录相机无需快时间响应。

时序图像的拍摄速度/频率主要取决于相邻两个光学延迟线之差。实验上,该系统实现了15万亿幅/秒的有效摄影频率,这创造了高空间分辨相机有效摄影频率的新记录。时间分辨率取决于触发各级OPA和产生闲频光的激光脉冲宽度。本实验该脉冲宽度为50fs(五千万分之一纳秒)。结合超高的摄影频率,该系统可以观测诸多超快物理现象。该研究团队展示了利用该装置实现对等离子体光栅和旋转速度为10万亿弧度/秒的旋转光场(如图2所示)。

图2旋转光场以10万亿弧度/秒旋转的四幅时序图像

该成像系统的另一特点是成像过程中没有任何运动,这意味着它的动态空间分辨等价于其静态空间分辨。实验结果也很好的展示了该装置可应用于高速显微成像。

Advanced Photonics共主编Anatoly Zayats教授认为“深圳大学的研究团队展示了快门速度创纪录的超高速摄影成像技术,这项研究为在各个领域研究超快过程提供了新的机会。”

这种成像技术可很便捷地拓展到显微成像技术领域,并且未来的研究将会进一步发掘这个方向上的潜力,从而让我们对超快瞬态现象有更清晰的了解。

论文发表在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)。曾选科博士为该文的第一作者,主要参与者包括郑水钦博士、蔡懿博士等。深圳大学徐世祥教授为通讯作者。

(物理与光电工程学院 供稿)