Photonics Research 2022年第7期Spotlight on Optics：
化學(xué)反應(yīng)、等離子體形成和激光誘導(dǎo)損傷等發(fā)生在不同時間尺度的各種快速瞬態(tài)事件（例如等離子體輔助反應(yīng)），在實際放電時需要超高的成像速度，以便捕捉其變化過程（太赫茲級），但等離子體脈沖后的化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的沖擊波移動速率卻相對較慢。
目前，快照成像主要有兩種技術(shù)：一種是用超快激光技術(shù)在極其有限的時間內(nèi)實現(xiàn)太赫茲（THz）范圍成像，另一種是在千赫茲（kHz）與兆赫茲（MHz）范圍內(nèi)連續(xù)成像。若對持續(xù)時間長、快速變化的瞬態(tài)過程進(jìn)行高速成像，則需要更高的重復(fù)率。
現(xiàn)有的kHz到MHz高速成像可滿足上述要求，然而該技術(shù)難以對發(fā)生在亞微秒時間尺度上的動態(tài)變化進(jìn)行有效監(jiān)測。近期，瑞典隆德大學(xué)（Lund University, Sweden）發(fā)明了一種超快成像技術(shù)可在5 THz頻率下工作，實現(xiàn)在600飛秒（0.00000000000600秒）內(nèi)的快速成像。
為解決上述問題，隆德大學(xué)Elias Kristensson團(tuán)隊基于激光的超快成像技術(shù)與常規(guī)高速cMOS相機(jī)相結(jié)合，實現(xiàn)了在相同時間尺度上產(chǎn)生時間分辨率、高空間分辨率的圖像，研究中首次通過提取整個實驗過程中高度混亂的噴射加速度矢量場，驗證了這種組合在快速成像中的效率。相關(guān)研究成果發(fā)表于Photonics Research 2022年第7期。
該研究采用多次曝光頻率識別算法（FRAME）技術(shù)，通過在脈沖序列中唯一標(biāo)記單個脈沖，并在一次曝光中收集單個相機(jī)傳感器上的所有疊加信息，在后處理步驟中識別標(biāo)簽來提取單個脈沖信息。該實驗驗證了在THz頻率下行進(jìn)的光脈沖的快速成像性能。在這項研究中，三個高重復(fù)率納秒激光源分別在一個相機(jī)內(nèi)單獨產(chǎn)生脈沖（圖a插圖）。每個光束在到達(dá)樣品前都要經(jīng)過一組光學(xué)器件（光束校正/擴(kuò)展光學(xué)器件、Ronchi光柵和成像光學(xué)器件），以實現(xiàn)對單個脈沖的強(qiáng)度調(diào)制，進(jìn)而達(dá)到“標(biāo)記”脈沖的目的。利用自制顯微鏡在Photron SA5相機(jī)上可對帶有便簽和事件信息的脈沖序列進(jìn)行捕捉并成像。通過產(chǎn)生與相機(jī)同頻的脈沖激光，可獲得樣品的一系列空間調(diào)制圖像（圖b）；其中，單個圖像如紅框所示。設(shè)定光源間的脈沖間隔時間，利用鎖定算法在傅里葉域中提取圖像，可產(chǎn)生時域可分的三組圖像。
圖 以kHz到MHz的速率提取加速度數(shù)據(jù)：
（a）每次相機(jī)曝光，發(fā)射三個多路復(fù)用ns激光器；（b）通過鎖定放大提取三組圖像;(c)提取速度和加速度圖
由于獲得了圖像三元組，可對速度和加速度矢量場進(jìn)行算法提取。文中進(jìn)一步展示了圖像信息的提取能力，例如液體霧化時液滴受到的空氣阻力。圖（c）展示了在注入過程中的三個不同時間提取的速度和加速度場的三個快照。
Elias kristensson教授表示：“雖然雙幀相機(jī)和脈沖激光器的發(fā)展使得測速成為可能，但加速度的測量一直局限于使用多相機(jī)光學(xué)配置。此外，技術(shù)差距限制了同時訪問慢速khz和快速mhz="" thz過程，從而制約了高效跟蹤各種快速瞬態(tài)事件。我們相信，高速攝影機(jī)與超快激光光源的新組合，將為深入了解自然界中的新事物提供更為便捷的探索工具。