深圳大學(xué)利用光參量放大技術(shù)創(chuàng)造了高空間分辨率成像的新記錄。

全光學(xué)成像技術(shù)已被證實(shí)，可實(shí)現(xiàn)其開(kāi)發(fā)者所描述的前所未有的幀速率，同時(shí)也幫助實(shí)現(xiàn)了可視化超快瞬態(tài)現(xiàn)象。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，深圳大學(xué)的研究人員基于其光參量放大（OPA）技術(shù)，可利用非線性光學(xué)效應(yīng)改變特定晶體材料內(nèi)光脈沖的波長(zhǎng)和頻率。該研究以題為“High-spatial-resolution ultrafast framing imaging at 15 trillion frames per second by optical parametric amplification”發(fā)表于Advanced Photonics，論文地址為：https://doi.org/10.1117/1.AP.2.5.056002。

深圳大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，OPA是一種極具吸引力的候選技術(shù)，能夠克服現(xiàn)有單次超快光學(xué)成像方法的局限性，以及單次高時(shí)空分辨率和幀率飛秒成像的挑戰(zhàn)。

當(dāng)使用特定信號(hào)光束和高頻泵浦光束同時(shí)照射OPA時(shí)，信號(hào)光束會(huì)被放大；這一操作會(huì)產(chǎn)生所謂的閑頻光子（idler photons），其能量代表了泵浦光與信號(hào)之間的差異。

將這一原理應(yīng)用到光學(xué)成像中，涉及到使用來(lái)自目標(biāo)物體的激光光子作為一組OPA的信號(hào)光束，通過(guò)到達(dá)脈沖長(zhǎng)度可有效地創(chuàng)建序列幀。然后OPA從每個(gè)圖像中生成空間分離的“閑散圖像（idler images）”，這些圖像無(wú)需特定的快速響應(yīng)相機(jī)就能夠被記錄下來(lái)。如果激光脈沖是超短波，那么閑散圖像的產(chǎn)生也將同樣快速，并且OPA成像的分辨率也相應(yīng)更高。

深圳大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將這一原理應(yīng)用到一種基于“非共線光參量放大（FINCOPA）”的分幅成像（framing imaging）的技術(shù)中。

圖1 (a)為FINCOPA的原理示意圖；(b)為FINCOPA的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

該研究在其發(fā)表的論文中指出：“這種全光學(xué)方法不受快速掃描或偏轉(zhuǎn)的活動(dòng)機(jī)械及電子部件所束縛，而這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高幀率來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。”

顯微超快光學(xué)成像

該研究的FINCOPA平臺(tái)使用了一組四級(jí)聯(lián)OPA，信號(hào)光束能以連續(xù)順序通過(guò)OPA。每個(gè)閑頻信號(hào)都會(huì)被相應(yīng)的傳統(tǒng)CCD相機(jī)所捕獲，并與主信號(hào)束的進(jìn)行方向偏移。

“該系統(tǒng)由四組OPA級(jí)聯(lián)與四架對(duì)應(yīng)的CCD相機(jī)、四種不同的泵浦激光器的延遲線共同組成，該系統(tǒng)可在極短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)拍攝四張圖像。”深圳大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)評(píng)論道，“時(shí)間分辨率主要取決于觸發(fā)OPA和產(chǎn)生閑頻信號(hào)的激光脈沖持續(xù)時(shí)間。”

研究中使用激光誘導(dǎo)的空氣等離子體光柵作為成像目標(biāo)，激光脈沖持續(xù)時(shí)間為50飛秒，F(xiàn)INCOPA平臺(tái)實(shí)驗(yàn)記錄了50飛秒分辨率的幀圖像，有效幀率達(dá)到10萬(wàn)億幀/秒（Tfps）。

圖2為以15 Tfps單次拍攝記錄的超快旋轉(zhuǎn)光場(chǎng)的四幀圖像

該研究進(jìn)一步改進(jìn)使得超快旋轉(zhuǎn)光場(chǎng)的成像效率達(dá)到15 Tfps，這被認(rèn)為是高空間分辨率相機(jī)創(chuàng)造的快門速度最高記錄。

該技術(shù)的未來(lái)研究方向?qū)ǎ和ㄟ^(guò)使用更短的觸發(fā)脈沖進(jìn)一步提高時(shí)間分辨率，以及使用更強(qiáng)的激光器來(lái)提高幀率。

該研究還將探究FINCOPA在顯微成像方面的實(shí)際應(yīng)用，并且已進(jìn)行了初步試驗(yàn)：使用傳統(tǒng)的顯微鏡物鏡對(duì)鏈中OPA信號(hào)進(jìn)行光學(xué)放大。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)的微觀結(jié)構(gòu)能被清晰地記錄下來(lái)。

圖3 (a)為建立等離子體光柵生成器；(b)為建立超快旋轉(zhuǎn)光學(xué)晶格生成器

該研究總結(jié)道：“使用FINCOPA進(jìn)行顯微超快光學(xué)成像，唾手可得！”

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