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具有高帧率和帧数的新型超快成像技术

归档日期:06-06       文本归类:帧速率      文章编辑:爱尚语录

  获取超快过程的图像是许多尖端物理,化学和生物学研究所急需的技术。香港城市大学(CityU)和西安交通大学的最新研究成功开发出一种新颖的压缩超快速摄影技术,可实现超高帧率和大帧数。克服了现有的局限性,新技术为在飞秒(10-15秒)时间尺度上观察复杂瞬态过程提供了重要工具。

  超快摄影是一种主要的驱动技术,可以扩展科学家对各种瞬态物理或化学过程的理解。建立在20世纪80年代初期的泵探测技术基础上,获得诺贝尔化学奖和埃及出生的科学家艾哈迈德泽维尔(Ahmed H. Zewail)开创了飞秒化学,使超快过程的研究成为飞秒(10 -1 5)s)时间表。然而,泵探针方法一次仅捕获一段超快速过程,并且只能用于测量稳定和可重复的超快过程。近年来已经取得了进一步的进展。诸如时间或频率编码的放大成像和压缩条纹相机之类的方法能够在单次曝光下进行飞秒成像。尽管如此,现有的单次拍摄技术仅以最快的帧速率飞秒记录非常有限的帧数,或者需要使用非常昂贵的条纹相机,从而限制了它们的应用范围。

  近日,城大生物医学工程系助理教授王立代博士和西安交通大学陈峰教授共同提出了新型压缩超快光谱 - 时间(CUST)摄影技术,可以克服现有的成像速度限制,帧数和光谱分辨率。通过创新的光学计算,可以对飞秒激光脉冲进行数字编码。然后压缩和重建时间或光谱信息。这种新的成像技术可以同时实现高帧率,高帧数和高光谱分辨率。

  CUST可以实现3.85万亿Hz(1万亿Hz = 1012Hz)的超高帧速率,能够在单次拍摄中以超高亚纳米光谱分辨率捕获超过60帧的超快图像。通过CUST,研究小组实时记录了飞秒激光脉冲的传播,反射和自聚焦,这是超快速过程,持续时间为20皮秒(1皮秒= 10 -1 2 s)。研究结果发表在最新一期的“ 物理评论快报”上。

  CUST的另一个优点是它不需要昂贵的条纹相机。这种超快成像系统可以用普通的光学装置构建,包括镜子,光栅,飞秒激光和CCD传感器,使其更便宜,更容易广泛使用。

  正如王博士所解释的那样,CUST基于飞秒激光脉冲的光谱 - 时间耦合原理。还使用计算成像算法。CUST摄影包括三个步骤。首先,通过衍射光栅和透镜系统发送激光脉冲,以使激光脉冲的不同波长通过色散在时域中拉伸,形成更长持续时间的“啁啾脉冲”。其次,啁啾脉冲与超快过程相互作用,并且波长的不同分量可以记录超快过程的不同时间信息。第三,CUST对光束进行2次二维(2D)空间编码,并使用色散将不同的光谱信息压缩到2D CCD平面上。最后,

  王博士认为,这项研究使得有可能在很长一段时间内获得具有广谱的飞秒图像,并将有助于研究物理,化学和生物学中的超快过程,例如记录光子的瞬态传播和高级材料微观结构中的声子和神经元中电信号的传播等。低成本还允许更多的研究机构使用这种技术。

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