推廣位（非商務）
封面圖來源：加州理工學院近日，美國加州理工學院汪立宏團隊採用壓縮超快光譜攝影技術(compressed ultrafastspectral photography, CUSP), 打破了該記錄，實現每秒70萬億幀的拍攝技術。
這個技術有多牛，舉個例子您就能明白：光速約為3000億毫米/秒。若以70萬億幀/秒的速度除以光速，為233.3幀。換句話說，這臺攝像機在光波移動1毫米的時間內可以捕獲約230幀畫面。
並且，汪立宏團隊利用該技術首次實現了螢光壽命實時成像（single-shot spectrallyresolved fluorescence lifetime imaging microscopy，SR-FLIM）。
相機的成像速度從根本上限制了人類識別物理世界的能力。隨著幾十年的發展，基於矽的成像傳感器，例如CCD和CMOS，已經可以提供高達每秒百萬幀成像速度。
但是，它們在捕獲各種極其快速的事件方面卻不盡人意，例如超短光傳播，分子的輻射衰減，衝擊波傳播，核聚變，光子在擴散介質中的傳輸等。要觀察這些事件，幀速率必須超過每秒十億幀甚至是萬億幀。
為了解決相機幀速率不足的這一問題，目前主要有兩種解決思路：
1）對同一過程進行多次拍攝，然後間接描述事件的發展過程。但是這種方案只能解決發生過程保持高度一致的事件，無法實時記錄事件。
2）不斷提升相機的幀頻率，直至達到每秒十億幀甚至是萬億幀的速率。2011年麻省理工學院首次實現了每秒1萬億幀的拍攝技術。然後，隆德大學的FRAME相機又於2017年實現了每秒5萬億幀。緊接著，加拿大魁北克大學發明的T-CUP技術，又於2018年將該記錄刷新至每秒10萬億幀。
針對第二種思路，超高速壓縮攝影（CUP）是最有希望突破每秒10萬億幀速率的技術。CUP是基於壓縮感知理論和條紋相機技術，不幸的是，CUP的幀速率取決於條紋相機偏轉電子的能力，並且其序列深度（每次捕獲的幀數，300幀）受到傳感器像素數量的嚴格限制。
為了克服這一問題，汪立宏團隊巧妙將CUP技術與脈衝分解技術相結合，成功研發了一種可以對超快發生的事件進行實時成像的技術—壓縮超快光譜攝影技術（CUSP）（圖1）。
CUSP技術利用飛秒級（10-15秒）的雷射作為光源。該光源經過光學器件之後被分解為更短的閃光，從而製備了到目前為止最大序列深度的相機，幀速率可達70萬億幀/秒。
圖1.CUSP系統示意圖。a)通過一對分束器和一個玻璃棒將單個飛秒脈衝轉換為時間線性脈衝序列，相鄰子脈衝之間的距離為tsp（可以根據實驗進行調整）。b)光譜色散方案的詳細圖示（黑色虛線框）。c) 原始CUSP圖像的組成，其中包括水平方向上的光柵頻譜色散和垂直方向上的條紋相機的時間剪切。BS，分束器；DMD，數字微反射鏡；G，衍射光柵；L，透鏡；M，反射鏡。
利用一束光通過「Caltech」字樣，T-CUP相機如圖2（左）所示，新型CUSP相機如圖2（右）所示：
圖2.CUSP技術和T-CUP技術成像過程對比。
在充分驗證了CUSP技術的可靠性之後，該團隊利用該技術首次實現了螢光壽命實時成像（圖3）。
圖3.SR-FLIM設計思路及其檢測結果。a) 基於CUSP技術的SR-FLIM示意圖；b)532nm雷射激發樣品產生的螢光隨著時間的變化關係；c)不同濃度樣品產生的螢光的平均壽命。
這項技術可以為基礎物理學，下一代半導體小型化和生命科學等領域開闢新的研究途徑，例如超短光傳播，波傳播，核聚變，雲和生物組織中的光子傳輸以及生物分子的螢光衰變。
另外，該脈衝分解提升序列深度的思路也為發展更快的超快拍攝技術的提供了新的方向。
文章信息：
相關成果以「 Single-shot ultrafast imaging attaining 70 trillion frames per second 」為題發表在 Nature communication 期刊。
Peng Wang為第一作者，Lihong V. Wang (汪立宏)為通訊作者。
論文地址：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-15745-4
歡迎課題組投遞成果宣傳稿轉載/合作/課題組投稿，請加微信：447882024
開 放 投 稿：Light:Advanced Manufacturing
ISSN 2689-9620
期 刊 網 站：www.light-am.com
這是中國光學發布的第1278篇，如果你覺得有幫助，轉發朋友圈是對我們最大的認可