撰稿 | 蔡淼
导读
近日，来自法国鲁昂-诺曼底大学的Godin团队，将顺序定时全光学摄影与声光色散滤波技术相结合，实现了皮秒和纳秒时间尺度上的无透镜超快单次成像系统，是超快成像技术的又一重要进展。
近几十年来，超短时间尺度下的瞬态动力学研究一直是生物医学，化学和物理学等诸多领域的关注焦点，而超快成像技术的迅速进展使得亚皮秒和亚纳秒级别的时间分辨率得到了广泛应用。传统技术对于瞬态现象的捕捉往往基于泵探针方法，但这种方法本质上仅限于高度可重复的实验事件。此外，也有一些技术如时间拉伸成像，利用高达每秒一亿帧的帧速率来记录微秒级别的高速过程。但这种水平的帧速率仍不足以记录许多皮秒范围内的超快事件，比如激光的传播。
为了解决上述问题，需要具备皮秒范围内帧间隔的单次成像技术来实现这种超快成像。一般而言，单次成像技术可以按照不同特征分为被动检测，主动检测，直接成像以及重建成像等不同类别，而每种技术类别都有其优点与局限。一方面，迄今为止在成像速度和序列深度方面的最佳方案无疑是通过使用压缩感知等先进算法的被动检测和图像重建来实现的超快成像技术，但此类技术可能会受到其复杂的重建方案对实时操作的阻碍，并导致其灵活性较低。另一方面，使用空间、时间和光谱的超快脉冲序列的主动成像技术已经通过更简单的实验设置实现了超高帧速率，并且不需要复杂的计算算法，但在大多数情况下，这种方案的序列深度会受到影响，并且无法记录从动态场景发出的光谱（例如荧光）。
因此，如何在避免现有方案的缺陷的情况下，尽可能实现超快速度的成像，是超快成像领域亟待解决的一道难题。
为了提供一个真正灵活且简单有效的超快单次成像系统，研究团队提出了一种将光谱过滤的时间序列全光成像技术（sequentially timed all-optical mapping photography，STAMP）与集成电控声光相位技术，幅度滤波技术以及数字同轴全息技术结合的超快成像方案（图一）。该方案的优点在于，一方面，声光可编程色散滤波器（acoustic-optic programmable dispersive filter, AOPDF）可以非常简单地实现光谱-时间相位和幅度整形（图二）。因此，基于AOPDF的超快成像系统能够避免传统方法中所使用的复杂和庞大的系统（图三）。利用这一成像系统，研究团队实现了对皮秒范围内光学克尔门的成像（图四），以及在纳秒范围内对激光诱导的烧蚀动力学进行捕捉（图五）。
另一方面，数字同轴全息（digital in-line holography，DIH）技术的应用使得成像系统可以实现无透镜操作，这让整个成像系统更加简单，不同于仅在单个平面上提供图像的经典技术，DIH还允许在宽景深上重建和定位物体。此外，DIH不需要复杂的重建算法，因此可以实现实时操作。研究团队利用基于DIH的无透镜AOPDF的SF-STAMP，实现了在纳秒尺度上对激光诱导的空气击穿过程的成像（图六）。该团队提出的这一系统实现了超快成像技术在时间分辨率以及使用简便性上的又一巨大进步，对生物物理，化学以及物理学的诸多研究具有着极其重要的现实价值。
图一：工作原理示意图。声光可编程色散滤波器 (acousto-optics programmable dispersive filter，AOPDF) 通过与电驱动声子波的相互作用在光谱和时间域中调整脉冲形状，然后在随后的SF-STAMP检测装置中实现对曝光时长和帧速率的完全独立控制。此检测装置由衍射光学元件（diffractive optical element，DOE），光谱滤光片（spectral filter，SF）和一个标准相机组成。
图二：基于 AOPDF 的幅度和相位控制。（a）输入激光光谱与STAMP光谱滤光片 (SF) 的归一化透射带比较。（b）输入光谱与 SF 的卷积导致 CCD 相机上的子脉冲强度分布不均匀，并且与强度的动态变化有关。（c）应用在 AOPDF上的幅度掩模（蓝色实线）和与输入光谱（灰色虚线）相比所得到的优化光谱（红色实线）。（d）生成的图像具有均衡的强度和优化的动态。这些是未经任何后期处理的原始图像。（e，f）照明脉冲的光谱-时间分布。曝光时间和帧速率可以通过分别添加线性啁啾和调整每个光谱分量的群延迟来独立控制。箭头对应于子脉冲的群延迟效应。
图三：基于AOPDF的超快成像系统。（a）实验装置示意图。半波片让使用者能够在皮秒或纳秒范围内操作系统。纳秒时间尺度的操作是使用基于光栅的展宽器获得的，该展宽器在 AOPDF 光谱时间整形之前具有额外的子脉冲可调节延迟。（b）用于在纳秒范围内生成和捕获激光诱导冲击波(shock wave，SW)的实验配置。冲击波是通过将强烈的可见脉冲聚焦到固体目标上来产生的。（c）用于 CS2单胞中光学克尔门(optical Kerr gate, OKG) 的皮秒级成像的实验设置。光学延迟线用于使泵浦脉冲与CS2单胞中的成像脉冲同步，并精确捕捉克尔门动力学过程。
图四：皮秒范围内光学克尔门 (OKG) 的成像。（a）改变光学延迟的情况下，传输脉冲的垂直叠加图像。在6.6 ps的延迟下，OKG的打开和关闭过程得到了完整的捕捉。（b）OKG 成像过程的数值模拟结果。
图五：在纳秒范围内对激光诱导的烧蚀动力学进行捕捉。（a）使用我们的系统捕获的激光诱导气体动力学的诞生和演变以及所涉及的物理现象的说明。可以清楚地观察到冲击波和电离波的波前（外部冲击波，external shock wave，SWe）以及接触波前的演变。（b）在改变泵浦脉冲能量的情况下，监测玻璃上激光烧蚀过程中的气体动力学过程。
图六：使用数字同轴全息技术 (digital in-line holography，DIH) 进行图像重建。基于DIH的无透镜AOPDF的SF-STAMP概念通过在纳秒尺度上对激光诱导的空气击穿进行成像来展示。（a）通过本地扣除进行归一化之后的全息图。（b）使用DIH的复振幅和相位重建（基于（a）中的全息图）。图像在轴向距离zr=550 mm处重建，可以清楚地看到不对称地等离子体膨胀。（c）通过重构复振幅并计算不同纵坐标处的相位获得的沿纵轴的相位图。所选的区域是（b）中空气击穿成像中最左边的点。沿光轴的相位变化（蓝色实线）是强度和相位对象实际位置的显著特征。
论文信息：
该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Acousto-optically driven lensless single-shot ultrafast optical imaging”, Mohamed Touil为论文的第一作者，Thomas Godin为论文的通讯作者。
https://www.nature.com/articles/s41377-022-00759-y
