9月16日，深圳大学物理与光电工程学院李景镇/徐世祥教授团队以“High-spatial-resolution ultrafast framing imaging at 15 trillion frames per second by optical parametric amplification”为题，在《Advanced Photonics》上发表论文。论文展示了一种崭新的全光超快成像（FINCOPA）技术。该技术突破了已有技术无法兼顾高摄影频率、高时空分辨率的瓶颈，实验结果直接验证了其有效摄影频率高达15万亿幅/秒，刷新了单次多幅成像摄影频率的世界记录。

高速摄影机是人们用来观测和揭示快速演变事物或现象的利器，在人们认识世界改造世界的过程中发挥着重要作用。例如炸弹的爆炸过程、航天飞船、导弹等飞行器发射或降落阶段的飞行规律的实时成像，精密激光加工中的激光与物质相互作用过程的实时观测和诊断，核聚变过程的快速演化过程的实时记录，活体细胞中的冲击波相互作用以及各种化学反应等过程的实时成像。想要对这些快速变化的事件进行准确的成像记录，就需要高速摄影机具有足够短的快门时间（足够高的时间分辨），足够小的拍摄时间间隔（足够高的摄影频率）。另外，往往还需要足够高的空间分辨以识别事件的空间精细结构。

当要求高速摄影机的快门时间/拍摄时间间隔进入到皮秒（10^-12秒）甚至飞秒（10^-15秒）区域，将面临两大挑战：其一是如何记录拍摄到一系列时间间隔极短的图像，其二是如何获取兼备高摄影频率、高时空分辨的图像。

该论文针对上述挑战提出了一种兼备高时空分辨率和高摄影频率超快成像系统。借助于全光的技术手段，FINCOPA将高速成像的有效摄影频率推高到15万亿幅/秒。该指标通过拍摄一旋转角速度高达13.5万亿弧度/秒的空间结构光场，同时还拥有5×10^-14秒级的时间分辨和微米级的空间分辨。虽然已有摄影频率达70万亿幅/秒的报道[Nature Communications (2020)11:2091]，但其最小分辨时间约240飞秒，意味着有效摄影频率约4.17万亿幅/秒，而且没有通过对空间结构调制的超快事件成像验证。因此本系统创造了单次多幅成像摄影频率的世界记录，总体性能处于世界领先水平。

FINCOPA的设计特色在于系统仅包含一组名为非共线光参量放大器的装置（图1）。采样脉冲（The sampling）照射目标物体，经过4个光学成像转换器（OIC），即非共线光参量放大器。当泵浦光脉冲（标记为“Trigger”）入射OPA时，产生闲频光（标记为“Recorded”）。在泵浦光脉冲之间引入延迟，可以通过使用传统的CCD相机拍摄闲频光来获取时序多幅图像。这种设计利用响应极快的非线性光参量转换过程可方便地将一系列时间间隔很短的图像转化为一系列空间分离的图像，从而能轻易地被商用相机接收。该系统无需特殊设计的快响应相机，也无需任何扫描装置，即摄影频率不受相机响应速度或电光扫描速度极限的制约。该系统在成像过程中没有任何运动，这意味着它的动态空间分辨等价于其静态空间分辨。

图1 全光超快成像系统

论文展示了利用FINCOPA实现对空气等离子体光栅（图2）和旋转速度为13.5万亿弧度/秒的旋转光场（图3）的超快成像。展示的结果显示，FINCOPA系统可观测飞秒至皮秒时间快速变化的超快事件的演变过程，拍摄的时间间隔在10^-14秒至10^-11秒时间范围内可调，本征空间分辨率达到几十微米量级。另外，实验结果还很好的展示了该装置可很便捷地拓展到显微成像技术领域，将空间分辨率提高至微米量级。

图2 FINCOPA拍摄的空气等离子体光栅演变图像

图3 FINCOPA拍摄的以10万亿弧度/秒速度旋转的旋转光场图像

这种成像技术可应用于短至10^-13秒时间尺度的超快事件进行精准成像。这类事件包括超快激光切割、打孔、微结构制造等过程，惯性压缩核聚变的快点火过程，化学反应的成像与诊断，基于激光拉丝的大气物理现象以及活体细胞中的冲击波相互作用等，在工业制造、核物理与大气物理、激光化学和生物医学等领域均有重要的应用前景。

论文的第一作者为曾选科博士，通讯作者为徐世祥教授。

论文链接：http://www.clp.ac.cn/EN/Article/OJ49bfcd234de58da2