超快成像是一個傳感器性能和創(chuàng)造性光學(xué)設(shè)計都在不斷突破的領(lǐng)域，其最新進展已使人們能夠以皮秒級分辨率對瞬態(tài)光學(xué)事件進行三維捕捉。

加州理工學(xué)院光學(xué)成像實驗室汪立宏（Lihong Wang）教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，之前開發(fā)了一種被稱為壓縮超快攝影（CUP）的動態(tài)成像技術(shù)，該技術(shù)不使用任何機械或光學(xué)掃描機制，而是利用一種條紋相機進行快速二維成像。

CUP技術(shù)通過巧妙的計算方法在單次拍攝中捕捉二維瞬態(tài)光學(xué)事件，它首先使用數(shù)字微鏡器件對視覺圖像的空間域進行編碼，然后將信號傳遞到條紋相機上，將光脈沖的時間變化轉(zhuǎn)化為探測器上的空間顯像。

該技術(shù)可以有效地“剪切”時間信息，在相機傳感器上壓縮記錄瞬態(tài)事件的全部光信號，然后使用適當(dāng)?shù)乃惴ㄖ亟ü庑盘枴?

汪立宏教授的研究小組現(xiàn)在進一步擴展了這項技術(shù)，使該平臺每秒可以捕捉1000億幀，并能捕捉極其短暫超快光學(xué)事件的三維信息。這項增強的新技術(shù)被命名為立體偏振壓縮超快攝影（SP-CUP）。

SP-CUP系統(tǒng)原理圖

SP-CUP技術(shù)結(jié)合了壓縮傳感、條紋成像、立體視覺和偏振技術(shù)，能夠提供以皮秒級時間分辨率捕捉不可重復(fù)光學(xué)事件五維（空間x、y和z；到達(dá)時間；線性偏振角）信息的單次被動超快成像，這項研究成果已經(jīng)發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications）雜志。

據(jù)稱，通過對現(xiàn)有CUP技術(shù)的改進，使得在三維空間中同時、高效地記錄偏振成為可能。與現(xiàn)有的其它單次超快成像技術(shù)相比，加州理工學(xué)院新開發(fā)的技術(shù)在光通量、序列深度、時空分辨率和高維成像可擴展性等方面都具有優(yōu)勢。

有望解決物理學(xué)謎團

“現(xiàn)在，我們的SP-CUP技術(shù)相機是三維立體的了。”汪立宏教授評論稱，“我們的鏡頭可以像兩個眼睛一樣工作，提供兩個有一定偏移的視圖，通過兩個信號通道來模擬人眼的立體視覺?！?

SP-CUP平臺實現(xiàn)對超短激光脈沖在散射介質(zhì)中傳播的線性偏振特性進行三維超快成像

在實驗中，SP-CUP平臺成功地實現(xiàn)了對單個超短激光脈沖在散射介質(zhì)中傳播的線性偏振特性進行三維超快成像。

研究人員還用它來監(jiān)測飛秒激光與硅晶圓相互作用時，激光誘導(dǎo)擊穿（LIB）等離子體發(fā)射的偏振動力學(xué)。在這種情況下，通過成像顯示了與角度相關(guān)的等離子體羽流膨脹速度，以及等離子體發(fā)射偏振態(tài)的演變。

汪立宏教授評價稱，這一突破可能有助于研究人員更好地理解聲致發(fā)光的物理現(xiàn)象，即聲波在水或其他液體中傳播時會產(chǎn)生微小氣泡，而當(dāng)氣泡在形成后迅速崩塌時，它們會發(fā)出一束光。

“有學(xué)者認(rèn)為這是物理學(xué)中最大的謎團之一。”汪立宏教授說，“當(dāng)一個氣泡破裂時，它的內(nèi)部溫度會達(dá)到如此高的水平，以至于可以產(chǎn)生光。這一過程非常神秘，因為這一切發(fā)生得太快了，我們想知道這款新開發(fā)的相機能否幫助我們弄清楚這一物理學(xué)謎團。”