突破光學(xué)成像極限：每秒處理數(shù)萬(wàn)億幀圖像！

a. SCARF系統(tǒng)示意圖。CCD 電荷耦合器件、G1–G2 光柵、L1–L4 透鏡、M1–M2 反射鏡。b. SCARF的運(yùn)作情況，并附有說(shuō)明性數(shù)據(jù)。

追求更高的速度并不只是運(yùn)動(dòng)員的專有。研究人員也可以用他們的發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這樣的壯舉。美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院(INRS)Jinyang Liang教授和他的團(tuán)隊(duì)就是如此，他們的研究成果最近發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)上。該研究小組位于國(guó)家科學(xué)研究中心的能源材料電信研究中心，他們開(kāi)發(fā)了一種新型超快攝像系統(tǒng)，每秒可捕捉高達(dá)156.3萬(wàn)億幅畫面，精確度令人驚嘆。這是首次實(shí)現(xiàn)單次拍攝超快消磁的二維光學(xué)成像。這種名為 SCARF(掃碼孔徑實(shí)時(shí)飛秒攝影)的新設(shè)備可以捕捉半導(dǎo)體中的瞬態(tài)吸收和金屬合金的超快消磁。這種新方法將有助于推動(dòng)現(xiàn)代物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)和工程學(xué)等廣泛領(lǐng)域的知識(shí)前沿。

在過(guò)去的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)步

Liang教授是世界知名的超快成像先驅(qū)。2018 年，他作為主要開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)了該領(lǐng)域的重大突破，為 SCARF 的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。到目前為止，超快相機(jī)系統(tǒng)主要采用逐幀順序捕捉的方法。它們通過(guò)簡(jiǎn)短、重復(fù)的測(cè)量獲取數(shù)據(jù)，然后將所有數(shù)據(jù)拼湊在一起，制作成一部電影，重建觀察到的運(yùn)動(dòng)。

Liang教授解釋說(shuō)："然而，這種方法只能用于惰性樣品或每次都以完全相同的方式發(fā)生的現(xiàn)象。易碎的樣品，更不用說(shuō)不可重復(fù)的現(xiàn)象或速度超快的現(xiàn)象，都無(wú)法用這種方法觀察到。例如，飛秒激光燒蝕、沖擊波與活細(xì)胞的相互作用以及光學(xué)混沌等現(xiàn)象都無(wú)法用這種方法進(jìn)行研究?！?/p>

Liang教授開(kāi)發(fā)的第一個(gè)工具填補(bǔ)了這一空白。T-CUP(每秒萬(wàn)億幀壓縮超快攝影)系統(tǒng)以被動(dòng)飛秒成像為基礎(chǔ)，能夠每秒獲取十萬(wàn)億(1013)幀。這是向超快單次實(shí)時(shí)成像邁出的重要的第一步。然而，挑戰(zhàn)依然存在。Liang繼續(xù)說(shuō)："許多基于壓縮超快攝影的系統(tǒng)必須應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量下降的問(wèn)題，并且必須犧牲視場(chǎng)的序列深度。這些限制可歸因于其工作原理，即需要同時(shí)剪切場(chǎng)景和編碼光圈。"SCARF 克服了這些挑戰(zhàn)。它的成像模式可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)編碼光圈的超快掃描，同時(shí)不會(huì)剪切超快現(xiàn)象。這就為帶有電荷耦合器件(CCD)的相機(jī)上的單個(gè)像素提供了高達(dá) 156.3 THz 的全序列編碼率。這些結(jié)果可以在反射和透射模式下，以可調(diào)整的幀速率和空間尺度在一次拍攝中獲得。應(yīng)用范圍廣泛

SCARF 使觀測(cè)超快、不可重復(fù)或難以再現(xiàn)的獨(dú)特現(xiàn)象成為可能，例如活細(xì)胞或物質(zhì)中的沖擊波力學(xué)。這些進(jìn)展有可能用于開(kāi)發(fā)更好的制藥和醫(yī)療方法。

此外，SCARF 還能帶來(lái)非常吸引人的經(jīng)濟(jì)附帶利益。Axis Photonique 和 Few-Cycle 這兩家公司已經(jīng)在與梁教授的團(tuán)隊(duì)合作，為他們正在申請(qǐng)專利的發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)市場(chǎng)化版本。這對(duì)魁北克來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，可以鞏固其在光子學(xué)領(lǐng)域本已令人羨慕的領(lǐng)先地位。

這項(xiàng)工作是在先進(jìn)激光光源 (ALLS) 實(shí)驗(yàn)室與能源材料電信研究中心主任 Fran?ois Légaré教授、法國(guó)洛林大學(xué)Jean Lamour研究所的國(guó)際同行 Michel Hehn、Stéphane Mangin 和 Grégory Malinowski 以及華中科技大學(xué)的Zhengyan Li(中國(guó))合作完成的。

審核編輯 黃宇