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光譜立體壓縮超快成像:超快現(xiàn)象的五維觀測新方法

時(shí)間:2022-3-7閱讀:163
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光學(xué)成像作為一種能夠提供豐富信息的可視化方法,在人類探索未知世界的歷程中發(fā)揮著不可替代的作用。而多維光學(xué)成像能夠同時(shí)獲取探測目標(biāo)多個(gè)維度的信息,例如空間、時(shí)間、光譜、偏振等等,為觀察和分析探測目標(biāo)提供了更加充分的條件。超快光學(xué)成像作為多維光學(xué)成像中一種具有超高時(shí)間分辨的成像技術(shù),可以捕獲皮秒甚至飛秒時(shí)間尺度的超快動力學(xué)場景,在物理、化學(xué)和生物等領(lǐng)域超快現(xiàn)象研究中具有非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

基于泵浦探測的超快成像技術(shù)雖然能夠獲取高分辨的多維度信息,但是其仍然對于聚變沖擊波、光學(xué)形成等一些不穩(wěn)定或不可重復(fù)的瞬態(tài)場景束手無策。幸運(yùn)的是,基于壓縮感知和條紋成像的壓縮超快成像(CUP)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)泵浦探測超快成像方法的不足。CUP因兼具高時(shí)間分辨率、高數(shù)據(jù)通量和單次曝光等特點(diǎn)而備受關(guān)注,目前已經(jīng)被成功應(yīng)用在超快光子捕捉、光學(xué)馬赫錐觀察和光學(xué)混沌動力學(xué)探測等超快現(xiàn)象研究中。

在眾多超快現(xiàn)象的研究過程中,人們格外關(guān)注待測動態(tài)場景的空間立體分布及光譜信息,這些信息對于觀察超快現(xiàn)象發(fā)生的動力學(xué)過程并探索其內(nèi)在的機(jī)制尤為關(guān)鍵。近些年來,超快光學(xué)成像已經(jīng)獲得迅速的發(fā)展,已經(jīng)發(fā)展了多種多維度超快光學(xué)成像方法,具備了空間立體或者光譜分辨能力。然而,目前還沒有一項(xiàng)能夠在單次曝光下同時(shí)獲取時(shí)間-空間-光譜 (x, y, z, t, λ)五維信息的超快光學(xué)成像技術(shù)。

近期,華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張?jiān)姲唇淌诘膰H研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種光譜立體壓縮超快成像(SV-CUP),相關(guān)成果以Single-shot spectral-volumetric compressed ultrafast photography為題,發(fā)表在Advanced Photonics 2021年第4期,并被選為當(dāng)期封面,如圖1所示。

圖1 Advanced Photonics 2021年第4期封面

如圖2所示,在單次曝光下,可以同時(shí)捕獲動態(tài)場景的空間(三維),時(shí)間(一維)和光譜(一維)五維信息。在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,x、y、z方向的空間分辨率分別達(dá)到了0.39、0.35和3 mm(8.8 mm ´6.3 mm ´ 15 mm視場下),時(shí)間幀間隔為2 ps,光譜幀間隔為1.72 nm。通過對一個(gè)表面涂有量子點(diǎn)的立體人偶模型進(jìn)行光致發(fā)光動力學(xué)成像,在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了SV-CUP的五維探測能力,如圖3所示。

圖2 SV-CUP系統(tǒng)裝置圖(a)和原理圖(b)

圖3 SV-CUP五維成像。(a)對表面涂有CdSe量子點(diǎn)的三維人偶模型的光致發(fā)光動力學(xué)成像的系統(tǒng)示意圖;(b)重建的人偶模型三維數(shù)據(jù);(c)人偶在不同時(shí)間和波長的重建圖像;(d) 由SV-CUP數(shù)據(jù)提取的光致發(fā)光動力學(xué)曲線(藍(lán)線)及由條紋相機(jī)測量的曲線(紅線);(e)由SV-CUP數(shù)據(jù)提取的熒光光譜曲線(藍(lán)線)及由光譜儀測量出的熒光光譜曲線(紅線);(f)從SV-CUP數(shù)據(jù)提取的時(shí)間分辨光譜;(g)不同光譜成分的熒光壽命

SV-CUP將飛行時(shí)間壓縮超快成像(ToF-CUP)和高光譜壓縮超快成像(HCUP)兩種技術(shù)巧妙地結(jié)合,從單次測量的結(jié)果中提取五維信息。其中,ToF-CUP用于提取動態(tài)場景的空間三維信息(x, y, z),而HCUP用于記錄空間-時(shí)間-光譜四維信息(x, y, t, λ)。根據(jù)時(shí)間映射關(guān)系,將ToF-CUP和HCUP的重構(gòu)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)耦合,最終恢復(fù)出完整的五維信息(x, y, z, t, λ)。

由此可見,SV-CUP提供了一種拓展超快光學(xué)成像維度的新方案,結(jié)合了計(jì)算成像、壓縮感知和圖像處理,實(shí)現(xiàn)了立體動態(tài)場景的高光譜超快成像,表現(xiàn)出了令人振奮的五維成像性能,有望在物理以及生化超快現(xiàn)象的研究中進(jìn)一步拓寬分析視角,促進(jìn)相關(guān)研究領(lǐng)域的進(jìn)步與發(fā)展。

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