高速攝影機(jī)具有快速連續(xù)拍照的特點(diǎn)，從而可以用來(lái)觀測(cè)諸多超快動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，例如精密加工和制造過(guò)程的飛秒激光燒蝕、核聚變過(guò)程的快點(diǎn)火、活體細(xì)胞中的沖擊波相互作用過(guò)程以及各種化學(xué)反應(yīng)等等。想要對(duì)微小的超快動(dòng)態(tài)過(guò)程成像，要求高速攝影機(jī)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(gè)參數(shù)之間相互制約的瓶頸。 > H~6NBd5D  
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深圳大學(xué)李景鎮(zhèn)/徐世祥教授團(tuán)隊(duì)最近研發(fā)出了一種具有高時(shí)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(guò)程沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)原器件，因此成像速度可以不受機(jī)械或電動(dòng)掃描帶來(lái)的瓶頸限制。 -dG,*0 >  
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該團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)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(qiáng)高頻光泵浦（泵浦光）下，對(duì)另一弱的低頻光（信號(hào)光）的信息進(jìn)行光學(xué)放大，同時(shí)還能將信號(hào)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(hào)光在時(shí)間重疊的時(shí)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(jì)在非共線工作模式，可實(shí)現(xiàn)閑頻光與信號(hào)光和泵浦光的空間分離。 sf)W~Lx5a  
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采樣脈沖（The sampling）照射目標(biāo)物體，經(jīng)過(guò)4個(gè)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(shí)，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(guò)使用傳統(tǒng)的CCD相機(jī)拍攝閑頻光來(lái)獲取時(shí)序多幅圖像。 auL^%M|$R  
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這樣的設(shè)備在高速成像系統(tǒng)中有何優(yōu)勢(shì)呢？答案在于系統(tǒng)利用了多級(jí)串聯(lián)的光參量放大器（如圖1所示）。在每個(gè)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(jí)，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(hào)光映射到閑頻光上的時(shí)間分辨為飛秒級(jí)。而成像的時(shí)間點(diǎn)取決于信號(hào)光與泵浦快門的相對(duì)時(shí)間。當(dāng)攜帶物信息的信號(hào)光經(jīng)過(guò)第一個(gè)放大器時(shí)，第一個(gè)放大器的泵浦光在第一時(shí)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(hào)光空間分離，因此可以用“靜候在一邊”的第一CCD相機(jī)來(lái)捕捉物體信息。同時(shí)信號(hào)光繼續(xù)邁向第二個(gè)放大器。就像瀑布中的水流一樣，當(dāng)信號(hào)光束來(lái)到第二個(gè)放大器時(shí)，第二泵浦光在第二個(gè)時(shí)刻觸發(fā)產(chǎn)生第二閑頻光。旁邊“靜候”的第二CCD相機(jī)記錄下第二幅像。依次類推，可實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)它們相對(duì)時(shí)間延時(shí)的精確調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)成像時(shí)間點(diǎn)的精確控制。作為原理性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)四個(gè)級(jí)聯(lián)的放大器，四個(gè)普通商業(yè)CCD相機(jī)和四個(gè)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(jì)，本系統(tǒng)很方便地實(shí)現(xiàn)了飛秒時(shí)間分辨的系列時(shí)序分幅成像從時(shí)間到空間的轉(zhuǎn)換，并被系列旁邊“靜候”的相機(jī)“傻傻”地接收。這些記錄相機(jī)無(wú)需快時(shí)間響應(yīng)。 .8(%4ejJ(  
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時(shí)序圖像的拍攝速度/頻率主要取決于相鄰兩個(gè)光學(xué)延遲線之差。實(shí)驗(yàn)上，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了15萬(wàn)億幅/秒的有效攝影頻率，這創(chuàng)造了高空間分辨相機(jī)有效攝影頻率的新記錄。時(shí)間分辨率取決于觸發(fā)各級(jí)OPA和產(chǎn)生閑頻光的激光脈沖寬度。本實(shí)驗(yàn)該脈沖寬度為50fs（五千萬(wàn)分之一納秒）。結(jié)合超高的攝影頻率，該系統(tǒng)可以觀測(cè)諸多超快物理現(xiàn)象。該研究團(tuán)隊(duì)展示了利用該裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體光柵和旋轉(zhuǎn)速度為10萬(wàn)億弧度/秒的旋轉(zhuǎn)光場(chǎng)（如圖2所示）。 8lb-}=  
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該成像系統(tǒng)的另一特點(diǎn)是成像過(guò)程中沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)，這意味著它的動(dòng)態(tài)空間分辨等價(jià)于其靜態(tài)空間分辨。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也很好的展示了該裝置可應(yīng)用于高速顯微成像。 o\goE^,aeR  
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Advanced Photonics共主編Anatoly Zayats教授認(rèn)為“深圳大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究為在各個(gè)領(lǐng)域研究超快過(guò)程提供了新的機(jī)會(huì)。” Jn#K0(FQ  
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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(lái)的研究將會(huì)進(jìn)一步發(fā)掘這個(gè)方向上的潛力，從而讓我們對(duì)超快瞬態(tài)現(xiàn)象有更清晰的了解。 P#*n3&Uu  
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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。 RHI&j~  
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論文鏈接：http://www.clp.ac.cn/EN/Article/OJ49bfcd234de58da2