每秒钟，我们周围都会发生许多物理和化学过程，这非常难以记录。复杂性不仅在于所涉及对象的尺寸，还在于过程本身的速度。在现代研究中，高速拍摄起着重要作用，可以让您捕捉超快速的动态现象。但是即使这项技术也有其局限性，每秒帧数可以夸大地表明这一点。来自深圳大学（中国）的科学家能够创建一个专有的光学系统，该系统能够达到每秒15万亿帧。此开发过程中使用了哪些技术和现象，实际实验表明了什么，并且该创作可以在哪里找到应用？我们将在科学家的报告中找到这些问题的答案。走。
研究依据
高速成像是研究飞秒激光消融，激光丝传播，分子动力学，活细胞中冲击波相互作用等快速动态过程的重要工具。
正如预期的那样，超快速光学成像可以提供瞬态无模糊的可视化效果，是来自各个科学领域（化学，物理学，光学工程，材料科学，生物医学等）的科学家的理想工具。
目前，已经有许多技术可以在光学成像领域获得相当好的结果。例如，基于抽运和传感技术的时间分辨成像在可重复的瞬态动力学和高重复率方面做得很好。但是，这种技术在处理重复率低或根本不重复的过程时会失去其优势。
泵浦传感方法可以用单个光学成像代替。有些作品甚至设法达到了每秒2500万帧（Mfps）。这是一张压缩的超快照片（通过压缩的超快摄影拍摄的银杯）通过应用基于压缩感应*（压缩感应）算法的算法，可以以0.1帧/秒兆帧（Tfps）的帧速率和约50 ps的时间分辨率运行。
压缩感测（压缩感测）*是一种通过了解信号的先前值（稀疏或压缩）来获取和恢复信号的技术。该方法的空间分辨率可以按比例缩放至7 lp / mm（每毫米成对的线，以下称为lp / mm）。如果添加20倍镜头，您将获得相位敏感的压缩超快照片（pCUP），能够提供几微米的空间分辨率和1 Tfps的成像速度。
该技术可以实现良好的空间分辨率，这在时间分辨率上还不能说。因此，需要一种可以将上述方法的优点结合在一起的方法。
经科学家保证，此作用的最佳候选者是合适的光学参量放大（通过光学参量放大进行的OPA））。通过将OPA应用于光学图像，可以将信号中包含的信息复制到空白图像。这一功能启发了科学家们创造了一种单次超快光学成像的新方法，称为非共线光学参量放大成像（FINCOPA用于基于非共线光学参量放大的框架成像； NCOPA用于非共线光学参量放大）。
非共线设备允许使用由一系列激光脉冲泵浦的多级光学参量放大器将连续帧中的信息转换为空间分离的空白图像。
这种全光学方法还避免了与用于快速扫描的有源机械和电子组件相关的任何瓶颈，这对于高帧频至关重要。
FINCOPA如何运作
图片＃1上
图是FINCOPA系统的图示。使用具有足够大的时间宽度的采样脉冲来捕获目标瞬态中的所有信息。另外，使用一系列超短脉冲（标记为trigger-1、2、3和4）将图像信息从采样脉冲的不同时间片触发并切换到不同序列的超短脉冲（标记为recorded1、2、3和4） ）使用级联光学图像转换器。由于记录的图像在空间上彼此分开，因此可以由不同的CCD（电荷耦合器件的CCD ）相机接收。
帧间隔由采样脉冲和触发脉冲之间的相对延迟确定，而图像的曝光时间可以使用触发脉冲的持续时间估算。因此，曝光时间，有效帧频和帧数彼此独立。
为了实现这个想法，需要具有飞秒时间分辨率的飞秒激光系统。正如科学家指出的那样，触发脉冲和采样脉冲之间的准确时间同步在这里非常重要。这是通过从同一激光源获得采样脉冲和触发脉冲来实现的，这将同步脉冲之间的时间波动降低到了几个飞秒。帧数（N）由总可用触发脉冲功率与触发每个光学图像转换器所需的功率之比确定。
OPA可以在空闲图像中显示信号信息，因此光学参量放大器可以用作图像转换器。另外，将超短脉冲用作OPA的泵浦意味着OPA成像的曝光时间短，即高时间分辨率。
在光参量放大器中，OPA仅在泵和信号之间的交互作用期间发生，这意味着仅在泵的作用下才空闲显示图像信息。泵浦的脉冲宽度比信号短得多，因此它可以充当光学快门。可以从泵浦脉冲的持续时间估计快门速度，并且时间分辨率主要由空闲脉冲的持续时间确定。如果OPA晶体的厚度足够薄以抑制信号和泵浦脉冲之间的时序偏差，则两个持续时间将彼此相等。
此外，超短的泵浦脉冲持续时间有助于提高泵浦强度（例如> 100 GW / cm 2），这对OPA增益也有积极影响，并且可以实现较大的时空带宽。
换句话说，OPA的泵浦强度由所需的OPA增益和带宽确定，但也受所需的图像大小和OPA可用的泵浦功率的限制。
对于每个放大器的特定泵浦强度和图像大小或泵浦面积，可以通过将总泵浦功率除以每个放大器的泵浦功率来估算放大器的数量或帧数。另外，泵浦脉冲和信号脉冲之间的时间延迟决定了每个放大器中信号的暴露时间片（τ）。
根据每个τ值之间的差异，可以确定帧间隔。在FINCOPA系统中，τ的值仅受时间延迟线的最小可用步长（延迟线的DL ）和激光束路径的波动限制。通常，帧间隔长于泵浦脉冲持续时间。
图1b显示了FINCOPA实验装置。
使用的飞秒钛蓝宝石激光器具有以下参数：1 kHz； 800纳米; 3.5毫焦;脉冲持续时间约为40 fs。激光输出首先通过二次谐波发生器（SHG）：0.2 mmβ-BBO晶体。实验装置的时间分辨率约为50 fs。
大约30％的激光脉冲以〜40 fs的脉冲持续时间转换为二次谐波（即400 nm脉冲）。通过波长分离器（用于波长分离器的WS ）后，包括三个三个50:50分离器的光束分离器组（BSG ）将400 nm脉冲分为四个子脉冲，以泵浦四个光学参量放大器（NCOPA-1 ... NCOPA -4）。放大器的数量或帧的数量等于4，这主要受飞秒激光系统的脉冲输出功率（在1 kHz时约为3.5 W）限制。如果飞秒激光器的能量达到7 W，则可以估计帧数为4 x 7 / 3.5 = 8。
未转换的800 nm基本脉冲被WS反射。波长为800 nm的激光脉冲中约有1％被引导至脉冲扩展器（PS ），即脉冲分配器，可将脉冲持续时间增加至50 ps。然后，扩展后的脉冲将充当样本，以照亮目标超快事件，并作为后续光学参量放大器的信号。
在上述设置中，在目标和光学参量放大器之间使用四个光学成像系统（OIS-1至OIS-4），因此目标平面和放大器平面彼此配合。 OIS-1使用光学变焦在NCOPA-1上显示目标，以匹配放大器的空间带宽，从而优化图像质量。 OIS-2，OIS-3和OIS-4用于1x中继可视化。四片厚度为0.5 mm，横截面为29.2度的β-BBO晶体可用于具有I型相位匹配的OPA。
在每个放大器中，泵浦信号和信号都位于β-BBO晶体内部，且相交角很小（〜2度），因此生成的空白图像在空间上都与它们偏离。它们之间的延迟时间可以使用DL（DL-1至DL-4）独立调整。
每个空白路径都使用镜头在CCD相机上显示β-BBO晶体，以优化图像质量。
FINCOPA系统的特点
使用飞秒激光脉冲作为泵进行OPA成像具有多个优点。首先，较强的泵浦脉冲可以提供较高的光学参量增益。其次，这种脉冲使得可以获得较大的空间带宽。
可用的泵浦强度主要受激光对OPA晶体的损害所限制，这也取决于泵浦脉冲的持续时间：泵浦持续时间越短，可用强度越高。对于飞秒脉冲，泵浦强度可以达到数百GW / cm 2。但是纳秒级脉冲的强度通常低于10 GW / cm 2...在进行的实验中，泵浦设置为15 GW / cm 2，并且OPA增益约为30。
必须在实际测试之前进行空间和时间校准。
首先，必须校准四个CCD的横向位置和光学成像系统的放大倍数。这是通过同时从CCD捕获测试图像来完成的。
接下来，确定初始时间，即信号与泵系统NCOPA-1（泵1）相互作用时的“零时间”。可以通过调节通过DL-1的第一个泵浦脉冲的延迟来更改此参数。因此，可以通过调节它们的泵浦系统的时间延迟来固定NCOPA-2，NCOPA-3和NCOPA-4的零位，从而使NCOPA-1，NCOPA-3和NCOPA最大化由NCOPA-1放大的信号。同时-4。
使用惰轮脉冲（idler-1）传输并由CCD-1摄像机捕获的帧图像是第一张图像。来自CCD-2，CCD-3和CCD-4的下三个空白图像分别成为第二，第三和第四图像。用DL-2，DL-3和DL-4调整了它们从零时起的力矩，以改变泵浦光束的时间延迟。
超快速等离子体阵列成像
为了测试FINCOPA的性能，构建了一个等离子体阵列作为第一个样品。这是由于这样的事实，即这种光栅具有可调节的结构，该结构的空间周期高达10微米，使用寿命以皮秒为单位。因此，这种样品的可视化需要微米级的亚皮秒时间分辨率和空间分辨率。
使用非共线干涉仪（来自非共线干涉仪的NCI ）在800 nm处用两个非共线超短脉冲激发光栅。激发脉冲的总能量为2.4 mJ，透镜（L）的焦距为250 mm。通过改变两个光束（2α）的交角来调节光栅周期。
图片编号2
开图2a示出了对于2α＝ 3.8度的光栅结构，并且图2b示出了沿2a上的垂直白线记录的一维强度分布。
发现光栅调制周期为12μm，其对应于垂直方向上的约83lp / mm的沟槽密度。根据设备概念，NCOPA可以解析空间频率高达36 lp / mm的空间结构，因此将OIS-1调整为3倍放大倍率，以在NCOPA上可视化83 lp mm光栅的样品。
样品的两个激发脉冲来自Ti：S激光系统，其频率为1 kHz，并带有一个脉冲选择器。在没有单脉冲选择器的情况下，该事件以1 kHz的频率重复；因此，通过泵检测方法检测到该事件。
如图2c所示，使用泵探测技术记录了NCOPA-1和CCD-1的等离子晶格的演化，其中包括16个图像片段。
每个片段都有一条垂直的白线以校准水平方向上的空间位置。在图像的每个片段上，等离子光栅从左向右传播。零时间点定义为等离子穿过图像第一片段（2c）上的白线的时刻。
图2d示出了调制对延迟。对这些数据的分析表明，在泵浦脉冲通过白线之后，等离子光栅会单调变强，但在4 ps后开始消失。
对于延时成像，在Ti：S系统的输出端安装了一个单脉冲选择器，以创建一个单帧等离子体阵列。
图像＃3
上面的图像显示了四组图像，每组图像包括使用FINCOPA系统获得的网格的四帧视频记录（视频＃1）。
视频＃1
在3a上相邻空白图像之间的时间间隔为100 fs。这意味着FINCOPA的帧速率为10 Tfps（视频＃2）。
视频＃2
它也出现在图3a，等离子体由左到光栅的条纹右随时间逐渐变成可见的，这意味着从0到300飞秒电子等离子体单调的密度增加。
在3b处显示时间为0、200、400和600 fs的帧，即帧之间的间隔为200 fs（视频＃3）。
视频＃3
等离子体光栅上的条纹变得越来越清晰，可以通过沿白线（3f）更改调制来检查。
基于3e和3f的数据，帧之间的间隔增加到1 ps，并且记录的NCOPA-1矩从零时间矩移到1 ps（视频＃4）。 在3c和3g上显示的
视频№4显示了调制曲线和反映出等离子光栅（3a和3b）增加趋势的图像。 在3d处显示的帧速率为5、8、20和30 ps（视频№5）。条纹的可见性随时间降低，这意味着等离子光栅从5到30 ps开始逐渐消失。结果，与3e - 3g相比，3h的调制随时间减少。视频＃5
为了从图像3f - 3h收集完整的信息，可从每个图像的白线获得光栅的归一化调制的时间特性（4a上的蓝色标记；红色标记对应于通过泵浦探测获得的2d）。
图像№4
两种方法的结果比较（即红色和蓝色标签的比较）显示两种方法的结果一致，即FINCOPA系统运行正常。
在2α＝ 2.5度的情况下，等离子体光栅的周期变为约18μm（即，阴影密度为56lp / mm）。
进行了与图像＃3中相同的实验，但是2α= 2.5，而不是3.8度。结果（4b）在泵探测方法和FINCOPA方法之间显示出标准化调制的良好一致性。
此外，考虑了晶格沿着其传播方向的演变。从4x4帧中，对于不同的τ值（例如0.8、1、2和4 ps（5a）），根据沿着传播方向的空间坐标获得调制系数。
图5
调制峰随着τ的增加而向右移动，这可以通过一对泵浦脉冲从左向右传播这一事实来解释。由于等离子光栅是低强度调制对象，因此测得的图像对比度相对较低。使用空间滤波，可以去除背景并提高图像的对比度。
另一个观察到的现象是峰值调制值沿x方向与中心的距离减小。图5b显示了沿x方向的四个位置（即x = –15，–60，–90和–500μm）从0 ps到30 ps随时间变化的晶格调制。所有位置都显示出类似的调制变化，但是最大值随着位置从中心向左移动而减小。因此，5b表示光栅调制对x的依赖性，这可能是由于激励脉冲强度对x的依赖性所致。
旋转光学场的超快速成像
图片＃6
为了进一步验证FINCOPA的时间分辨率，对频率为20 Hz，旋转速度超过10万亿弧度/秒（Trad / s）的超快速旋转光场进行了可视化（设置为7b）。
Image＃7
低重复频率（20 Hz）意味着可以将这种光场放大到极高的功率（例如，数十兆瓦甚至更高）。然而，对于激光系统，低重复率通常伴随着其输出脉冲的大跳跃状波动，因此泵浦传感方法会导致明显的测量误差。
该研究场是由具有不同拓扑电荷（±l）和时间延迟（δt）的两个chi涡旋脉冲创建的。如果将一对chi脉冲的时间延迟调整为1 ps，光场将以角频率差Δω=〜27 Trad / s旋转（即旋转周期为466 fs）。
FINCOPA系统以Δt= 66.7 fs的帧间隔可视化此事件，即 每秒15万亿帧的频率（视频＃6）。图像＃6显示了一个在200 fs内旋转约0.9π弧度的角度的场。
视频＃6
要更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您研究一下科学家的报告。
结语
人们常说，一个大师如果没有他的乐器就什么也不是。也许这很夸张，因为没有人取消人才，技能和知识。但是，在研究任何过程方面，工具都起着重要作用。
在这项工作中，科学家展示了一种可行的高速成像系统，该系统能够以高达15万亿的帧速率捕获任何东西。到目前为止，还没有这样的指标，因此我们可以放心谈论创下新记录。
作者自己有信心，他们的聪明才智将使人们能够从已经研究的现象和过程以及由于缺少必要的设备而无法考虑的过程中学习很多新事物。
当然，该研究的作者并不想屈从于吹牛，因为他们的系统需要改进和改进，这在将来可能会导致FINCOPA方法将变得与常规显微镜一样普遍和普遍的事实。至少这是科学家的梦想。时间将证明它是否将成为现实。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您一周工作愉快。:)
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