深圳大學(xué)利用光參量放大技術(shù)研發(fā)超快高空間分辨率成像

深圳大學(xué)利用光參量放大技術(shù)創(chuàng)造了高空間分辨率成像的新記錄。

全光學(xué)成像技術(shù)已被證實(shí)，可實(shí)現(xiàn)其開發(fā)者所描述的前所未有的幀速率，同時也幫助實(shí)現(xiàn)了可視化超快瞬態(tài)現(xiàn)象。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，深圳大學(xué)的研究人員基于其光參量放大(OPA)技術(shù)，可利用非線性光學(xué)效應(yīng)改變特定晶體材料內(nèi)光脈沖的波長和頻率。

深圳大學(xué)研究團(tuán)隊認(rèn)為，OPA是一種極具吸引力的候選技術(shù)，能夠克服現(xiàn)有單次超快光學(xué)成像方法的局限性，以及單次高時空分辨率和幀率飛秒成像的挑戰(zhàn)。

當(dāng)使用特定信號光束和高頻泵浦光束同時照射OPA時，信號光束會被放大;這一操作會產(chǎn)生所謂的閑頻光子(idler photons)，其能量代表了泵浦光與信號之間的差異。

將這一原理應(yīng)用到光學(xué)成像中，涉及到使用來自目標(biāo)物體的激光光子作為一組OPA的信號光束，通過到達(dá)脈沖長度可有效地創(chuàng)建序列幀。然后OPA從每個圖像中生成空間分離的“閑散圖像(idler images)”，這些圖像無需特定的快速響應(yīng)相機(jī)就能夠被記錄下來。如果激光脈沖是超短波，那么閑散圖像的產(chǎn)生也將同樣快速，并且OPA成像的分辨率也相應(yīng)更高。

深圳大學(xué)研究團(tuán)隊將這一原理應(yīng)用到一種基于“非共線光參量放大(FINCOPA)”的分幅成像(framing imaging)的技術(shù)中。

圖1 (a)為FINCOPA的原理示意圖;(b)為FINCOPA的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

該研究在其發(fā)表的論文中指出：“這種全光學(xué)方法不受快速掃描或偏轉(zhuǎn)的活動機(jī)械及電子部件所束縛，而這對于實(shí)現(xiàn)高幀率來說至關(guān)重要?！?/p>

顯微超快光學(xué)成像

該研究的FINCOPA平臺使用了一組四級聯(lián)OPA，信號光束能以連續(xù)順序通過OPA。每個閑頻信號都會被相應(yīng)的傳統(tǒng)CCD相機(jī)所捕獲，并與主信號束的進(jìn)行方向偏移。

“該系統(tǒng)由四組OPA級聯(lián)與四架對應(yīng)的CCD相機(jī)、四種不同的泵浦激光器的延遲線共同組成，該系統(tǒng)可在極短的時間內(nèi)連續(xù)拍攝四張圖像。”深圳大學(xué)研究團(tuán)隊評論道，“時間分辨率主要取決于觸發(fā)OPA和產(chǎn)生閑頻信號的激光脈沖持續(xù)時間。”

研究中使用激光誘導(dǎo)的空氣等離子體光柵作為成像目標(biāo)，激光脈沖持續(xù)時間為50飛秒，F(xiàn)INCOPA平臺實(shí)驗(yàn)記錄了50飛秒分辨率的幀圖像，有效幀率達(dá)到10萬億幀/秒(Tfps)。

圖2為以15 Tfps單次拍攝記錄的超快旋轉(zhuǎn)光場的四幀圖像

該研究進(jìn)一步改進(jìn)使得超快旋轉(zhuǎn)光場的成像效率達(dá)到15 Tfps，這被認(rèn)為是高空間分辨率相機(jī)創(chuàng)造的快門速度最高記錄。

該技術(shù)的未來研究方向?qū)ǎ和ㄟ^使用更短的觸發(fā)脈沖進(jìn)一步提高時間分辨率，以及使用更強(qiáng)的激光器來提高幀率。

該研究還將探究FINCOPA在顯微成像方面的實(shí)際應(yīng)用，并且已進(jìn)行了初步試驗(yàn)：使用傳統(tǒng)的顯微鏡物鏡對鏈中OPA信號進(jìn)行光學(xué)放大。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)的微觀結(jié)構(gòu)能被清晰地記錄下來。

圖3 (a)為建立等離子體光柵生成器;(b)為建立超快旋轉(zhuǎn)光學(xué)晶格生成器

該研究總結(jié)道：“使用FINCOPA進(jìn)行顯微超快光學(xué)成像，唾手可得!”