近日，華東師范大學(xué)精密
光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室齊大龍研究員、張詩按教授團(tuán)隊和中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所朱健強(qiáng)研究員團(tuán)隊開展合作，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)頂級期刊Physical Review Letters上。
圖1. Physical Review Letters 刊登張詩按教授科研團(tuán)隊實現(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間尺度的瞬態(tài)過程，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，相位作為光場的一個重要分量，承載了許多強(qiáng)度成像無法揭示的獨(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)大多無法同時獲取強(qiáng)度和相位信息，這嚴(yán)重限制了對超快動態(tài)過程的全面理解。
針對這一領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的科學(xué)性難題，張詩按教授領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊巧妙地將壓縮感知原理、相干調(diào)制成像與時空偏轉(zhuǎn)成像深度融合，提出了一種可以同時實現(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)將被測動態(tài)場景的強(qiáng)度和相位信息調(diào)制到脈沖光場中，通過壓縮感知原理在單次曝光測量中獲取脈沖光場復(fù)振幅信息的壓縮快照，再結(jié)合深度學(xué)習(xí)與迭代計算的免訓(xùn)練圖像重構(gòu)算法，精確還原待測動態(tài)場景的時空強(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)隊搭建的實驗裝置如圖3(a)所示，主要包括相干
光源、動態(tài)場景、隨機(jī)相位調(diào)制板和條紋相機(jī)。來自相干光源的激光脈沖照射動態(tài)場景，將其時變光場信息加載至激光脈沖中。經(jīng)過衍射傳播和隨機(jī)相位調(diào)制后，進(jìn)一步衍射傳播并進(jìn)入狹縫完全打開的條紋相機(jī)，實現(xiàn)時空偏轉(zhuǎn)和快照壓縮。通過對激光燒蝕動力學(xué)過程的實時觀測，研究團(tuán)隊證實CS-CMUI能以極高的時間分辨率和相位保真度重建出動態(tài)場景的時空復(fù)振幅演化過程(如圖3(b, c)所示)。可以預(yù)見，CS-CMUI技術(shù)將極大推動超快光學(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力學(xué)過程，為探索不可逆或難以重復(fù)的材料相變、等離子體動力學(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)制超快成像的實驗系統(tǒng)與探測結(jié)果 (a) CS-CMUI系統(tǒng)裝置圖；(b) ITO薄膜激光燒蝕過程中的強(qiáng)度演化；(c) ITO薄膜激光燒蝕過程中的相位演化
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)博士研究生金誠摯和之江實驗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)研究員和張詩按教授為論文共同通訊作者。研究工作獲國家自然科學(xué)基金委員會(12325408、92150301、12074121、62105101、62175066、12274129、12274139)和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(21XD1400900、21JM0010700)的支持。
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