拍照摄影|深圳大学刷新超快高空间分辨率成像记录：每秒15万亿帧有效帧率
本文插图
在15Tfps的单镜头模式下记录的超快旋转光场的四帧图像
高速相机可以快速连续拍照 。 这使得它们对超快动态现象的可视化非常有用 ， 比如用于精密加工和制造过程的飞秒激光烧蚀、核聚变能源系统的快速点火、活细胞中的冲击波相互作用以及某些化学反应等 。
在摄影的各种参数中 ， 微观超快动态过程的连续成像需要高帧率和高时空分辨率 。 在目前的成像系统中 ， 这些特性是相互取舍的 。
然而 ， 中国深圳大学的科学家们最近开发出了一种全光学超快成像系统 ， 它具有高空间和时间分辨率 ， 以及高帧率 。 由于该方法是全光学的 ， 因此摆脱了用机械和电子元件扫描所产生的瓶颈 。
这些发明的设计重点是非线性光学参数放大器（OPA） 。 OPA是一种晶体 ， 当同时照射一个所需的信号光束和一个较高频率的泵浦光束时 ， 这种放大器能够放大信号光束 ， 并产生另一个光束 ， 即所谓的空转器 。
由于这项研究中使用的晶体是非直线的 ， 所以闲置器的发射方向与信号光束的方向不同 。 但是 ， 这样的装置如何在高速成像系统中发挥作用呢？答案就在于级联OPA 。 信号光束中包含的目标信息 ， 在泵光束激活时 ， 由OPA映射到惰轮光束上 。 由于闲置器的移动方向不同 ， 因此 ， 当信号光束向OPA级联的下一阶段移动时 ， 可以使用传统的电荷耦合器件（CCD）相机来捕捉它 。
就像水在瀑布中下降一样 ， 信号光束到达随后的OPA ， 由同一激光源产生的泵浦光束将其激活 。 这时 ， 一条延迟线使泵浦光束晚了一步到达 ， 导致第二级OPA旁边的CCD相机晚了一步拍照 。 通过4个OPA与4个相关的CCD相机和4条不同的泵浦激光延迟线的级联 ， 科学家们创造了一个可以极快速地连续拍摄4张照片的系统 。
捕捉连续图片的速度受限于两条激光延迟线之间的差异有多小 。 在这方面 ， 这个系统实现了每秒15万亿帧的有效帧率 ， 从而创造了高空间分辨率相机的快门速度记录 。 相反 ， 时间分辨率取决于触发OPA和产生闲置信号的激光脉冲的持续时间 。 在这种情况下 ， 脉冲宽度是50fs（五千万分之一纳秒） 。 再加上令人难以置信的快速帧率 ， 这种方法能够观察到超快的物理现象 ， 如空气等离子体光栅和以每秒10万亿弧度旋转的旋转光场 。
这种成像方法还有改进的空间 ， 但很容易成为一种新的显微技术 。 未来的研究将释放这种方法的潜力 ， 让我们对超快瞬态现象有更清晰的认识 。
【拍照摄影|深圳大学刷新超快高空间分辨率成像记录：每秒15万亿帧有效帧率】《先进光子学》科学期刊发表了这份研究报告 。 该刊物的联合主编阿纳托利·扎亚兹亲自介绍说："深圳大学的团队已经展示了超快摄影成像 ， 快门速度创下了历史最快纪录 。 这项研究为各个领域的超快过程研究提供了新的机会 。 "
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