高速攝影機是人們用來觀測和揭示快速演變事物或現象的利器，在人們認識世界改造世界的過程中發揮著重要作用。深圳大學李景鎮/徐世祥教授團隊最近研發出了一種具有高時空解析度和高攝影頻率超快成像系統。藉助於全光的技術手段，該系統將高速成像的攝影頻率推高到15萬億幅/秒，並且擁有510-14秒級的時間分辨和微米級的空間分辨，達到世界先進水平。
成像系統的原理圖。
據該團隊介紹，高速攝影機的關鍵技術挑戰之一是如何記錄拍攝到的一系列時間間隔很短的圖像，例如炸彈的爆炸過程、航天飛船、飛彈等飛行器發射或降落階段的飛行規律的實時成像，精密雷射加工中的雷射與物質相互作用過程的實時觀測和診斷，核聚變過程的快速演化過程的實時記錄，活體細胞中的衝擊波相互作用以及各種化學反應等過程的實時成像。想要對這些快速變化的事件進行準確的成像記錄，就需要高速攝影機具有足夠短的快門時間(足夠高的時間分辨)，足夠小的拍攝時間間隔(足夠高的攝影頻率)。另外，往往還需要足夠高的空間分辨以識別事件的空間精細結構。深圳大學李景鎮/徐世祥教授團隊這項科研成果的設計特色，在於系統僅包含一組名為非共線光參量放大器。這種設計利用響應極快的非線性光參量轉換過程可方便地將一系列時間間隔很短的圖像轉化為一系列空間分離的圖像，從而能輕易地被商用相機接收。
該系統無需特殊設計的快響應相機，也無需任何掃描裝置，即攝影頻率不受相機響應速度或電光掃描速度極限的制約。該系統在成像過程中沒有任何運動，這意味著它的動態空間分辨等價於其靜態空間分辨。該研究團隊展示了利用該裝置實現對等離子體光柵和旋轉速度為10萬億弧度/秒的旋轉光場(如圖2所示)的超快成像。另外，實驗結果還很好地展示了該裝置可很便捷地拓展到顯微成像技術領域。
該研究團隊解釋了成像系統的原理——採樣脈衝(The sampling)照射目標物體，經過4個光學成像轉換器(OIC)，即非共線光參量放大器。當泵浦光脈衝(標記為「Trigger」)入射OPA時，產生閒頻光(標記為「Recorded」)。在泵浦光脈衝之間引入延遲，可以通過使用傳統的CCD相機拍攝閒頻光來獲取時序多幅圖像。
旋轉光場以10萬億弧度/秒旋轉的時序分幅圖像
這種成像技術可應用於短至10-13秒時間尺度的超快事件進行精準成像。這類事件包括超快雷射切割、打孔、微結構製造等過程，慣性壓縮核聚變的快點火過程，化學反應的成像與診斷，基於雷射拉絲的大氣物理現象以及活體細胞中的衝擊波相互作用等，在工業製造、核物理與大氣物理、雷射化學和生物醫學等領域均有重要的應用前景。
《Advanced Photonics》期刊主編Anatoly Zayats教授認為：「深圳大學的研究團隊展示了快門速度創紀錄的超高速攝影成像技術，這項研究為在各個領域研究超快過程提供了新的機會。」
註：該研究成果的論文發表在《Advanced Photonics 》期刊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. 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。深圳大學徐世祥教授為通訊作者。
(中國教育在線 林劍 通訊員 蔡懿)