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引言
超快現(xiàn)象能夠反映物理學、化學和生物學中許多重要的機制，很多自然科學特別是基礎科學研究中都需要對超快現(xiàn)象進行觀測, 如激光誘導損傷中的沖擊波,不可逆晶體化學反應, 生物組織中的光散射，熒光的激發(fā)，飛行光(Light in flight)，激光誘導等離子體等等。對這些超快過程進行有效的觀測具有不可或缺的科學意義和實用價值。本文介紹幾種常用的高速光譜與成像技術及其相關應用, 為您的研究提供參考。
高速攝影技術的起源可以追溯到1878年, Eadweard Muybridge使用連續(xù)攝影技術捕捉馬匹奔跑的瞬間。Muybridge使用了當時*先進的濕板膠片技術，每張照片的曝光時間僅為2毫秒，成像圖像顯示了馬匹在奔跑過程中存在四蹄同時離地的瞬間，這一結論顛覆了人們以往的認知。為了拍攝更快的過程，攝影師在賽道上攔了12根線，每根線連著一臺相機的快門。這樣，雖然單臺相機的快門速度趕不上賽馬，但奔跑的馬匹會依次觸發(fā)12臺相機，馬蹄的運動過程由此分解出來，這為后來高速攝影技術的發(fā)展奠定了基礎。19世紀，高速攝影主要依賴于機械快門，但是機械快門的速度受到物理限制, 無法達到極高的幀速率。隨著固態(tài)圖像傳感器的發(fā)展，電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)和互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor, CMOS), 高速攝影技術進入了一個新時代。固態(tài)圖像傳感器具有更高的幀速率、分辨率和動態(tài)范圍，因此在高速攝影領域得到了廣泛應用。
圖1. 高速頻閃攝影照片[1]（a）子彈穿過蘋果的瞬間（b）奶?；使?/span>
1980年代，學院教授艾哈邁德.澤維爾(Ahmed H. Zewail）基于抽運-探測（Pump-probe）技術提出了飛秒化學，使人們對于超快過程的研究延伸到了飛秒尺度。澤維爾的泵浦-探測“相機”，拍下了化學反應過程。泵浦-探測的原理, 可以理解為將那匹賽馬換成了一束激光，讓它重復跑上多次，攔在跑道上的只有一根“線”，每次都移動納米級別的距離，用光速來除一下，正好對應著飛秒級別的時間間隔。用這種方法，人類首次像看足球慢鏡頭回放一樣，看到了化學反應中原子和分子的運動。
圖2. 飛秒泵浦-探測揭示化學反應過程
通常的超快光學技術由以下三個標準界定。首先, “超快”是指1億幀每秒(108 fps)或以上的成像速度, 即相鄰兩幀間的時間間隔≤10 ns。其次，“光學”是指檢測光子的過程, 不包括利用電子束、X射線和太赫茲輻射進行的超快成像。第三“光譜與成像”僅限于一維光譜（波長或波數，λ）測量和二維空間(x、y)成像。
根據記錄二維（λ, t）或三維即(x、y、t)瞬態(tài)場景所需的曝光次數，超快光學成像技術可為多次曝光和單次曝光兩種方式。一般情況下，主要用于液體，可以循環(huán), 屬于多次曝光技術。對于單發(fā)超快現(xiàn)象和過程, 如激光慣性約束聚變( Inertial confinement fusion, ICF)、磁約束聚變的內爆測量、二維內爆動力學研究以及ICF靶丸對稱性研究等需要利用單次曝光的方式進行，依靠單一成像系統(tǒng)高速連續(xù)地捕捉瞬態(tài)事件的快照, 通過調整曝光時間和間隔來實現(xiàn)時間分辨率的控制。
多次曝光超快光學技術
多次曝光通過重復觸發(fā)相機或成像系統(tǒng)來捕捉瞬態(tài)事件的不同時間階段，以實現(xiàn)超快成像。多次曝光超快光學成像以泵浦探測為主，通過調整探測延時獲取動態(tài)信息。泵浦探測的方法可分為時間掃描和空間掃描兩類。在時間掃描類別中，泵浦光束激發(fā)瞬態(tài)事件，探針光束隨后在一定延遲時間后記錄時間切片，給定時間點的波長或空間信息。通過不斷改變延遲時間進行重復測量, 時間掃描揭示了超快現(xiàn)象的演變過程。
時間掃描
時間掃描具有兩種主要形式: 超短脈沖探測和超快門控。超短脈沖探測利用極短持續(xù)時間的光脈沖來照明超快動態(tài)現(xiàn)象, 超快門控則通過精確控制門的開啟時間從而僅允許極短時間窗口內的光信號通過。時間掃描技術提供了觀察和分析超快過程的窗口，是這種技術面臨的挑戰(zhàn)在于脈沖生成和檢測系統(tǒng)的復雜性，及對高精度同步和控制的需求。超短脈沖探測方法使用超短脈寬的探測脈沖記錄時間切片，時間分辨率取決于脈沖寬度，基于超短脈沖探測的光學成像非常適合飛秒(甚至阿秒(10-18s，as))瞬態(tài)事件的時間分辨光學技術。
圖3. 基于超短脈沖探針的晶格振動波超快光學成像。[2] (a)時空相干控制和探測實驗; (b)聲子極化子的產生和放大。
超快門控
超高時間分辨率可以通過超快門控技術實現(xiàn)，即使用超短時間窗口記錄時間切片，通過調整時間窗口，可以捕捉到（λ，t）或(x，y，t)數據立方體。這種控制方式已經在不同領域得到驗證，包括非線性光學門控和電子門控。非線性光學門控實現(xiàn)了飛秒級的時間分辨率，但對入射光強度和偏振有一定要求，而電子門控則受電子電路響應時間的限制，目前的時間分辨率限制在幾十到幾百皮秒之間。
單次曝光超快光學技術
泵浦探測技術在處理高度可重復的瞬態(tài)事件方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，但對于不穩(wěn)定或不可逆過程，如激光刻蝕、化學反應中的不可逆結構動力學以及慣性約束聚變中的沖擊波等，則無法進行有效觀測。為了解決這一限制，能夠在單次探測過程中獲取多幀光譜信息或二維圖像的單次曝光超快光學成像被不斷開發(fā)。單次超快光學成像技術能夠實時捕捉（λ，t）或(x, y, t)數據立方體, 克服了瞬態(tài)事件對重復測量的要求, 因此可以完美記錄非重復或難以再現(xiàn)的超快事件。單次曝光超快光學成像可通過主動或被動方式實現(xiàn)。主動方式利用定制脈沖串探測瞬態(tài)事件，每個脈沖都具有獨特標記, 以便在檢測時提取并分配到相應的時間戳。被動方式則僅使用超快探測器接收信號，瞬態(tài)事件可以直接被成像或通過計算重構恢復。
主動探測
主動式超快成像技術可以直接利用時序化的超短激光脈沖進行主動成像，能夠靈活利用超短脈沖的特性實現(xiàn)成像方式的創(chuàng)新，因而相對于被動式超快成像技術,其種類更多，成像方式更豐富。采用相關的光學技術，可在空間、波長、角度以及空間頻率等多個維度對超短激光脈沖序列進行調制, 使不同時刻的脈沖在空間或者空間頻率上分離, 進而實現(xiàn)獨立探測，以得到時間分辨信息, 這種實現(xiàn)不同時間的圖像信息獨立采集或者提取的技術稱為“分幅技術”。
圖4. 壓縮超快瞬態(tài)光譜（Compressed Ultrafast Spectral-Temporal，CUST）成像技術。[3]
如圖4所示，壓縮超快瞬態(tài)光譜（Compressed Ultrafast Spectral-Temporal，CUST）首先通過光柵組對脈沖光進行光譜展寬，隨后啁啾脈沖在經過瞬態(tài)目標后被數字微反射鏡(Digital micromirror device，DMD)空間編碼，編碼后的啁啾光被光柵掃描在CCD上，不同波段的啁啾信號發(fā)生空間混疊。CUST通過壓縮感知重建算法將混疊信息分離，實現(xiàn)光譜對時間信息的完整映射。[3] 該技術具有高時間分辨率，高空間分辨率以及高成像畫幅數的特點，其時間分辨率可以從0.1 ps 調節(jié)至5 ps。目前CUST的極限時間分辨率受限于光譜在空間維度可空間展開的尺寸。
隨著激光主動調制技術的飛速發(fā)展, 超短激光脈沖成為新型超快成像技術的關鍵要素, 這種方法主要依賴于時間域與其它域(如空間、頻率、角度、波長和偏振)之間的映射關系實現(xiàn)超快時間分辨, 因此也被稱為時間編碼照明成像。時間編碼照明成像能夠保留更多的時空細節(jié)信息, 從而獲得高達飛秒的出色時間分辨率和接近光學分辨極限的空間分辨率，這為觀測和理解許多超快動力學過程提供了獨特而重要的手段。壓縮感知超快光譜成像(Compressed ultrafast spectral photography，CUSP)是目前*快的連續(xù)二維超快成像技術，間分辨率可以達到14.3 fs。CUSP結合了 CUST（Compressed Ultrafast Spectral-Temporal Photography）和條紋相機兩種成像技術。[4] 圖5展示了CUSP 技術原理。
圖5. 壓縮感知超快光譜成像技術原理圖
如圖5所示，首先飛秒脈沖光經過一組標準具在時域形成多組有時間間隔的脈沖。然后，這些脈沖串通過色散棒展寬為啁啾脈沖串。展寬后的啁啾脈沖串先后分別通過被成像目標DMD空間編碼，以及光柵掃描，投射到的條紋相機光電陰極上，其中光柵掃描的方向與條紋相機的掃描方向相互垂直。由于啁啾光在掃描過程中發(fā)生混疊, 需要壓縮感知算法將混疊的二維信息進行分離。在CUSP中，條紋相機的主要目的是通過電場掃描區(qū)分不同脈沖串的信息，以確保系統(tǒng)在超高時間分辨率下同時具有高的畫幅數。
被動探測
與主動超快成像技術依賴外部光源不同，被動式超快成像技術利用自然或環(huán)境光源進行信息記錄。因此，被動式超快二維成像技術可以獲取直觀的自然光場信息, 在超快光學測量方面應用更加廣泛。被動式超快二維成像技術包括：ICCD, 微通道X射線分幅相機，全光固體分幅相機, 壓縮超快成像技術(T-CUP)等。ICCD相機是一種高速的二維成像設備, 它主要通過像增強器對弱光信號進行放大，時利用像增器的選通實現(xiàn)高的時間分辨,可實現(xiàn)時間分辨通常在1 ns左右，但是ICCD單次只能獲取一幅圖像，用有所受限?；谖⑼ǖ肋x通型分幅相機可以直接接收被測物體發(fā)射的信號, 且不會對待測物體造成任何影響，通過使用光電倍增管等高靈敏度探測器，被動探測式超快光學成像可以探測到極微弱的光信號，因此能夠探測熒光動力學等自發(fā)光瞬態(tài)現(xiàn)象。被動探測式超快光學成像分為直接成像型和計算成像型兩種方案。在直接成像型中，待測物體發(fā)出的光信號直接被探測器接收, 并通過光電轉換器轉化為電信號, *終通過計算機進行成像。而在計算成像型中，可以通過壓縮采集和計算重構的方法，從非可見的數據中獲取信息, 進而還原出待測物體的結構和動態(tài)過程。
(1)直接成像
在現(xiàn)有的二維超快探測器中，快分幅相機因其成像質量好和技術成熟度高, 因而成功實現(xiàn)商業(yè)化和廣泛應用。一般來說,超快分幅相機結合了分光和超快門控技術，通過精確控制每臺ICCD的時間門(即電子門控)，可以記錄連續(xù)的時間切片。直接成像型超快光學成像的優(yōu)點在于它具有很強的直觀性。這類方法通常不需要復雜的后處理或計算, 能夠提供即時的成像結果，使得研究者可以直觀地觀察到被成像對象。超快門控分幅相機已被廣泛應用于一系列學科，如材料表征和等離子體動力學等。
另外一種直接超快成像技術是通過結合纖維束成像與條紋相機的一維時間分辨成像能力的高速紫外采樣相機(Two-dimensional Spatial Resolved High-speed UV Sampling Camera, HISAC)[6], 用于研究激光產生等離子體中的能量傳輸。HISAC利用光纖束采集二維圖像，光纖束的一端布置成二維陣列, 通過光學成像系統(tǒng)將待測場景(如激光等離子體)的圖像傳輸并映射到這個端面上。光纖束的每根光纖負責采集了圖像中對應的小區(qū)域的信息, 從而實現(xiàn)了對整個場景的二維采樣。光纖束的另一端重新排布成一行, 并安裝在條紋相機的入射狹縫內。當圖像經光纖陣列編碼后，傳輸到條紋相機端時，二維分布的光信號被轉換成了一維的光信號輸入到條紋相機。條紋相機以每根光纖端面為一個通道，在時間軸上記錄下該通道光強度的變化, 即每個光纖采集區(qū)域的動態(tài)信息。*后, 根據光纖端面的空間排布信息,可以對條紋相機獲得的一維信息進行重構，恢復出每個時刻二維場景的圖像。通過這種方式,就實現(xiàn)了對二維場景進行單次采集，獲得包含二維空間信息和一維時間信息的光場數據。HISAC既達到了二維成像的要求，又利用了條紋相機良好的時間分辨能力。HISAC的空間分辨率由光纖陣列的排布決定，時間分辨率由條紋相機決定，由此構成一個高時間分辨率和二維空間分辨率的成像系統(tǒng)，為激光等離子體領域能量傳輸研究提供了重要工具。HISAC單次成像的序列深度超高，可以實現(xiàn)對發(fā)光事件的連續(xù)探測，但是由于光纖陣列的數量有限，HISAC空間分辨率有所受限。
(2)計算重建的壓縮超快成像
圖6. 壓縮超快成像(Compressed ultrafast Imaging, CUP)系統(tǒng)配置圖[7]
壓縮超快成像（Compressed ultrafast Imaging，CUP)的實驗裝置如圖6所示，主要包含數字微鏡器件(Digital Micromirror Device, DMD)和條紋相機兩個重要的組件。首先，動態(tài)場景發(fā)出的光線通過相機鏡頭和透鏡組成的4-f成像系統(tǒng)投射到固定編碼的DMD上。DMD由數十萬個微型鏡片組成, 每個鏡片可以以±12度的角度單獨旋轉，表示開啟或關閉狀態(tài)。當一個偽隨機二進制圖案加載到DMD上時,這些微型鏡片可以相應地開啟或關閉,因此投射在DMD上的動態(tài)場景可以在空間上編碼。隨后，反射的編碼動態(tài)場景被另一組4-f成像系統(tǒng)收集，由一臺狹縫完全打開的條紋相機進行偏轉和記錄，在單次曝光中由CCD捕獲并壓縮。*后采用基于壓縮感知(Compressed Sensing)原理的圖像重構算法，壓縮測量數據中恢復高質量的圖像。CUP巧妙地結合了應用壓縮感知原理實現(xiàn)的超高數據壓縮比與條紋相機技術所實現(xiàn)的超短時間分辨率，為傳統(tǒng)的條紋照相機增加了另一個空間維度的成像能力。*初的概念模型到現(xiàn)在, CUP在物理學、生物醫(yī)學、材料科學等領域得到了廣泛的應用和研究。此外，基于CUP原理，一系列利用電子和X射線源的超快衍射型和顯微成像方案被提出，將計算成像的模式從光學領域拓展到其它領域。近年來，經成為推動下一代單次曝光超快光學成像發(fā)展*有潛力的候選者之一。
結論
成像是人類認識和理解世界的重要手段, 人類的進步往往伴隨著成像技術的發(fā)展。顯微技術的出現(xiàn)將人類帶進了微觀世界, 能夠觀測到隱藏在物體中的空間細節(jié)信息,細胞、細菌、病毒、DNA、分子以及原子等微觀結構才能進入到人類的視野，大大促進了人類對世界的認識以及科技的快速發(fā)展。而超快成像技術的出現(xiàn)，類能夠以前所未有的超快速度記錄動態(tài)過程, 擁有了“時間顯微”的能力, 能夠看清隱藏在時間序列中的細微變化,發(fā)現(xiàn)更多未知。隨著多種超級技術和相關科學儀器的發(fā)展和普及，針對超快光譜與成像技術的應用研究也帶來越來越多的科學進展。
參考文件
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[2] Feurer T, Vaughan JC, Nelson KA. Spatiotemporal coherent control of lattice vibrational waves [J]. Science, 2003, 299(5605): 374-377.
[3] Lu Y, Wong T T W, Chen F, et al. Compressed Ultrafast Spectral-Temporal Photography[J]. Physical Review Letters, 2019, 122(19): 193904.
[4] Wang P, Liang J, Wang L V. Single-shot ultrafast imaging attaining 70 trillion frames per second[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 2091.
[5] Fang, Y., Zhang, M., Wang, J., Guo, L., Liu, X., Lu, Y., & Tian, J. (2021). A four-channel ICCD framing camera with nanosecond temporal resolution and high spatial resolution. Journal of Modern Optics, 68(13), 661–669.
[6] Kodama R, Okada K, Kato Y. Development of a two-dimensional space-resolved high speed sampling camera [J]. Review of Scientific Instruments, 1999, 70(1): 625-628.
[7] Gao L, Liang J, Li C, et al. Single-shot compressed ultrafast photography at one hundred billion frames per second [J]. Nature, 2014, 516(7529): 74-77.
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