近日，華東師范大學(xué)精密
光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室齊大龍研究員、張?jiān)姲唇淌趫F(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所朱健強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，在單次多幅超快復(fù)振幅光學(xué)成像技術(shù)研究方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Single-shot intensity- and phase-sensitive compressive sensing-based coherent modulation ultrafast imaging為題，于2024年4月24日在線發(fā)表于物理學(xué)頂級(jí)期刊Physical Review Letters上。
圖1. Physical Review Letters 刊登張?jiān)姲唇淌诳蒲袌F(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)單次多幅超快復(fù)振幅光學(xué)成像的科研成果
超快光學(xué)成像能夠記錄納秒甚至飛秒時(shí)間尺度的瞬態(tài)過(guò)程，在物理學(xué)、
化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。同時(shí)，相位作為光場(chǎng)的一個(gè)重要分量，承載了許多強(qiáng)度成像無(wú)法揭示的獨(dú)特信息，例如能夠提供關(guān)于物體形態(tài)、折射率和厚度等細(xì)節(jié)，這些信息對(duì)于理解和分析物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的超快光學(xué)成像技術(shù)大多無(wú)法同時(shí)獲取強(qiáng)度和相位信息，這嚴(yán)重限制了對(duì)超快動(dòng)態(tài)過(guò)程的全面理解。
針對(duì)這一領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的科學(xué)性難題，張?jiān)姲唇淌陬I(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)巧妙地將壓縮感知原理、相干調(diào)制成像與時(shí)空偏轉(zhuǎn)成像深度融合，提出了一種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)定量超快強(qiáng)度和相位成像的壓縮感知型相干調(diào)制超快成像(CS-CMUI)技術(shù)。如圖2所示，該技術(shù)將被測(cè)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的強(qiáng)度和相位信息調(diào)制到脈沖光場(chǎng)中，通過(guò)壓縮感知原理在單次曝光測(cè)量中獲取脈沖光場(chǎng)復(fù)振幅信息的壓縮快照，再結(jié)合深度學(xué)習(xí)與迭代計(jì)算的免訓(xùn)練圖像重構(gòu)算法，精確還原待測(cè)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的時(shí)空強(qiáng)度和相位信息。
圖2. 基于壓縮感知原理的單次多幅超快復(fù)振幅光學(xué)成像技術(shù)原理圖
研究團(tuán)隊(duì)搭建的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3(a)所示，主要包括相干
光源、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景、隨機(jī)相位調(diào)制板和條紋相機(jī)。來(lái)自相干光源的激光脈沖照射動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，將其時(shí)變光場(chǎng)信息加載至激光脈沖中。經(jīng)過(guò)衍射傳播和隨機(jī)相位調(diào)制后，進(jìn)一步衍射傳播并進(jìn)入狹縫完全打開(kāi)的條紋相機(jī)，實(shí)現(xiàn)時(shí)空偏轉(zhuǎn)和快照壓縮。通過(guò)對(duì)激光燒蝕動(dòng)力學(xué)過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè)，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)CS-CMUI能以極高的時(shí)間分辨率和相位保真度重建出動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的時(shí)空復(fù)振幅演化過(guò)程(如圖3(b, c)所示)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，CS-CMUI技術(shù)將極大推動(dòng)超快光學(xué)成像的發(fā)展，幫助研究人員從更加完整的視角洞察和分析超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程，為探索不可逆或難以重復(fù)的材料相變、等離子體動(dòng)力學(xué)等提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
圖3. 基于壓縮感知原理的相干調(diào)制超快成像的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與探測(cè)結(jié)果 (a) CS-CMUI系統(tǒng)裝置圖；(b) ITO薄膜激光燒蝕過(guò)程中的強(qiáng)度演化；(c) ITO薄膜激光燒蝕過(guò)程中的相位演化
該研究成果近期發(fā)表于Physical Review Letters 132, 173801 (2024)，華東師范大學(xué)為第一完成單位，華東師范大學(xué)博士研究生金誠(chéng)摯和之江實(shí)驗(yàn)室博士后徐英明為論文的共同第一作者，齊大龍研究員、朱健強(qiáng)研究員和張?jiān)姲唇淌跒檎撐墓餐ㄓ嵶髡?。研究工作獲國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)(12325408、92150301、12074121、62105101、62175066、12274129、12274139)和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)(21XD1400900、21JM0010700)的支持。
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