突破光学成像极限：每秒处理数万亿帧图像！

a. SCARF系统示意图。CCD 电荷耦合器件、G1–G2 光栅、L1–L4 透镜、M1–M2 反射镜。b. SCARF的运作情况，并附有说明性数据。

追求更高的速度并不只是运动员的专有。研究人员也可以用他们的发现实现这样的壮举。美国国家科学研究院(INRS)Jinyang Liang教授和他的团队就是如此，他们的研究成果最近发表在《自然·通讯》(Nature Communications)上。该研究小组位于国家科学研究中心的能源材料电信研究中心，他们开发了一种新型超快摄像系统，每秒可捕捉高达156.3万亿幅画面，精确度令人惊叹。这是首次实现单次拍摄超快消磁的二维光学成像。这种名为 SCARF(扫码孔径实时飞秒摄影)的新设备可以捕捉半导体中的瞬态吸收和金属合金的超快消磁。这种新方法将有助于推动现代物理学、生物学、化学、材料科学和工程学等广泛领域的知识前沿。

在过去的基础上不断进步

Liang教授是世界知名的超快成像先驱。2018 年，他作为主要开发者实现了该领域的重大突破，为 SCARF 的开发奠定了基础。到目前为止，超快相机系统主要采用逐帧顺序捕捉的方法。它们通过简短、重复的测量获取数据，然后将所有数据拼凑在一起，制作成一部电影，重建观察到的运动。

Liang教授解释说："然而，这种方法只能用于惰性样品或每次都以完全相同的方式发生的现象。易碎的样品，更不用说不可重复的现象或速度超快的现象，都无法用这种方法观察到。例如，飞秒激光烧蚀、冲击波与活细胞的相互作用以及光学混沌等现象都无法用这种方法进行研究。”

Liang教授开发的第一个工具填补了这一空白。T-CUP(每秒万亿帧压缩超快摄影)系统以被动飞秒成像为基础，能够每秒获取十万亿(1013)帧。这是向超快单次实时成像迈出的重要的第一步。然而，挑战依然存在。Liang继续说："许多基于压缩超快摄影的系统必须应对数据质量下降的问题，并且必须牺牲视场的序列深度。这些限制可归因于其工作原理，即需要同时剪切场景和编码光圈。"SCARF 克服了这些挑战。它的成像模式可以实现静态编码光圈的超快扫描，同时不会剪切超快现象。这就为带有电荷耦合器件(CCD)的相机上的单个像素提供了高达 156.3 THz 的全序列编码率。这些结果可以在反射和透射模式下，以可调整的帧速率和空间尺度在一次拍摄中获得。应用范围广泛

SCARF 使观测超快、不可重复或难以再现的独特现象成为可能，例如活细胞或物质中的冲击波力学。这些进展有可能用于开发更好的制药和医疗方法。

此外，SCARF 还能带来非常吸引人的经济附带利益。Axis Photonique 和 Few-Cycle 这两家公司已经在与梁教授的团队合作，为他们正在申请专利的发现生产市场化版本。这对魁北克来说是一个很好的机会，可以巩固其在光子学领域本已令人羡慕的领先地位。

这项工作是在先进激光光源 (ALLS) 实验室与能源材料电信研究中心主任 François Légaré教授、法国洛林大学Jean Lamour研究所的国际同行 Michel Hehn、Stéphane Mangin 和 Grégory Malinowski 以及华中科技大学的Zhengyan Li(中国)合作完成的。

审核编辑 黄宇