深圳大學利用光參量放大技術創(chuàng)造了高空間分辨率成像的新記錄。

全光學成像技術已被證實，可實現其開發(fā)者所描述的前所未有的幀速率，同時也幫助實現了可視化超快瞬態(tài)現象。

據麥姆斯咨詢報道，深圳大學的研究人員基于其光參量放大（OPA）技術，可利用非線性光學效應改變特定晶體材料內光脈沖的波長和頻率。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。

深圳大學研究團隊認為，OPA是一種極具吸引力的候選技術，能夠克服現有單次超快光學成像方法的局限性，以及單次高時空分辨率和幀率飛秒成像的挑戰(zhàn)。

當使用特定信號光束和高頻泵浦光束同時照射OPA時，信號光束會被放大；這一操作會產生所謂的閑頻光子（idler photons），其能量代表了泵浦光與信號之間的差異。

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

深圳大學研究團隊將這一原理應用到一種基于“非共線光參量放大（FINCOPA）”的分幅成像（framing imaging）的技術中。

圖1 (a)為FINCOPA的原理示意圖；(b)為FINCOPA的實驗設置

該研究在其發(fā)表的論文中指出：“這種全光學方法不受快速掃描或偏轉的活動機械及電子部件所束縛，而這對于實現高幀率來說至關重要。”

顯微超快光學成像

該研究的FINCOPA平臺使用了一組四級聯OPA，信號光束能以連續(xù)順序通過OPA。每個閑頻信號都會被相應的傳統CCD相機所捕獲，并與主信號束的進行方向偏移。

“該系統由四組OPA級聯與四架對應的CCD相機、四種不同的泵浦激光器的延遲線共同組成，該系統可在極短的時間內連續(xù)拍攝四張圖像?！鄙钲诖髮W研究團隊評論道，“時間分辨率主要取決于觸發(fā)OPA和產生閑頻信號的激光脈沖持續(xù)時間?！?br />
研究中使用激光誘導的空氣等離子體光柵作為成像目標，激光脈沖持續(xù)時間為50飛秒，FINCOPA平臺實驗記錄了50飛秒分辨率的幀圖像，有效幀率達到10萬億幀/秒（Tfps）。

圖2為以15 Tfps單次拍攝記錄的超快旋轉光場的四幀圖像

該研究進一步改進使得超快旋轉光場的成像效率達到15 Tfps，這被認為是高空間分辨率相機創(chuàng)造的快門速度最高記錄。

該技術的未來研究方向將包括：通過使用更短的觸發(fā)脈沖進一步提高時間分辨率，以及使用更強的激光器來提高幀率。

該研究還將探究FINCOPA在顯微成像方面的實際應用，并且已進行了初步試驗：使用傳統的顯微鏡物鏡對鏈中OPA信號進行光學放大。結果發(fā)現，目標的微觀結構能被清晰地記錄下來。

圖3 (a)為建立等離子體光柵生成器；(b)為建立超快旋轉光學晶格生成器

該研究總結道：“使用FINCOPA進行顯微超快光學成像，唾手可得！”

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