超快成像技术：每秒超过一万亿帧！

单次超快太赫兹摄影系统的原理图

由Roberto Morandotti教授领导的国家科学研究研究所(INRS)的一个研究小组报告了单次超快太赫兹(THz)摄影系统的首次实现。发表在《自然·通讯》上的这一重要成就，将能够提供具有亚皮秒分辨率的超短动力学的空间和时间演变。

换句话说，研究人员现在将能够发现控制动力学的隐藏自然法则，这需要超出电子传感器极限的成像速度。

与传统光学波长下超快成像的快速发展不同，太赫兹辐射的单次超快成像仍未得到探索。这主要是由于太赫兹频率范围内严重缺乏关键器件，例如高速调制器和相机，而这些器件通常是超快成像不可或缺的。

超高速光操纵实验室科学负责人Roberto Morandotti教授说：“这项工作是我们团队和光学领域合作者的一项重大成就。通过利用太赫兹辐射的独特穿透能力，我们的系统能够在光学不透明的情况下捕获超短事件，这些事件通常无法通过传统的光学频率进入。”

INRS莫兰多蒂实验室的研究助理，该研究的第一作者Junliang Dong说：“我们已经成功地解锁了太赫兹范围内的单次超快成像。由于我们的工作，我们现在可以捕捉到帧间时间间隔小于1皮秒的不可逆超快现象的电影。”

使用太赫兹辐射的超快成像

单次超快摄影已成为阐明自然界各种超快现象背后复杂动力学的关键技术。在超快激光器、高速相机和计算成像领域的最新进展的推动下，单次超快光学成像已经能够以每秒超过一万亿帧的速度捕捉二维(2D)瞬态场景，其速度足以使以光速在太空中传播的光脉冲可视化。

然而，最先进的单次超快成像技术要求成像目标具有光学透明度。这种限制阻止了此类技术探索在光学穿透深度短的介质中发生的许多关键的超快现象，例如陶瓷中的激光烧蚀动力学，铁膜中的磁化和半导体中的载流子激发。

最近，使用太赫兹辐射的成像因其能够“透视”各种材料而引起了极大的兴趣。然而，由于缺乏高速太赫兹相机，单次超快太赫兹成像仍处于萌芽阶段。

在这项研究中，Morandotti团队利用电光采样技术通过精心设计的光学探针光束进行太赫兹检测，该光束在时域和空间频域中同时复用。

莫兰多蒂教授解释说：“由于它仅依赖于常用的光学组件，例如分束器，光学延迟线，光栅和CCD相机，因此我们的技术基本上绕过了对任何太赫兹高速设备的需求。即便如此，它仍然足够强大，可以在一个镜头中记录太赫兹波携带的超快场景。”

这些瞬态事件的实时成像发生在二维空间和飞秒到皮秒的时间尺度上，反映了各种基本机制，这些机制仍然很复杂，而且大多无法接近，例如化学反应和光物质相互作用。

传统上，泵浦探头方法用于通过重复测量记录超快动力学。然而，许多超快现象具有显着的镜头间变化和低发生率，因此使它们“不可重复”。

据研究人员介绍，他们的系统被设想为一种前所未有的工具，用于研究先进材料和结构中的不可重复或破坏性动力学，例如2D材料，甚至生物物质，如皮肤和角膜，这些物质通常是光学不透明的。

审核编辑 黄宇