全光方法创纪录！实现15万亿幅/秒的超快高空间分辨成像

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，可以不受机械或电动扫描带来的瓶颈限制。

他们的设计包含一组非共线光参量放大器（OPA）。OPA基于非线性光学晶体，该晶体受泵浦光和信号光同时照射时，会放大信号光并产生另一束被称为闲频光的光束。由于该研究中使用的是非共线模式，因此闲频光的出射方向与信号光和泵浦光的方向都不同。

这样的设备在高速成像系统中有何优势呢？答案在于级联的OPA（如图1所示）。当受到泵浦光的触发时，OPA可将包含目标物体信息的信号光映射到闲频光上。当信号光经过第一个OPA时，由于闲频光在不同位置出射，因此可以用“放置在一边”的CCD相机来捕捉物体信息。就像瀑布中的水流一样，当信号光束来到下一个OPA，出自同一激光源的泵浦光再次触发它。利用光学延迟线使泵浦光到达较晚，使得放置在第二级OPA的CCD相机拍摄到稍晚的信息。通过四个级联的OPA，四个CCD相机和四个不同的泵浦光延迟线，它们创建了一个可以连续快速拍摄4张照片的系统。

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（OPA）。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。

时序图像的拍摄速度与相邻两个光学延迟线之差有关。在这方面，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。这里采用的脉冲宽度是50 fs（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4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。实验结果也很好地显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” 。

这种成像技术可以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 Photonics 2020年第5期（ Xuanke Zeng, Shuiqin Zheng, et al. High-spatial-resolution ultrafast framing imaging at 15 trillion frames per second by optical parametric amplification[J]. Advanced Photonics, 2020, 2(5): 056002），深圳大学徐世祥教授为通讯作者。