近日，華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室齊大龍研究員、張詩按教授團隊在高保真實時超快成像技術研究方面取得重要進展。相關研究成果以“Discrete illumination-based compressed ultrafast photography for high-fidelity dynamic imaging”為題，于2024年8月9日在線發表于國際頂級學術期刊Advanced Science（IF=14.3）。
圖1.Advanced Science刊登張詩按教授科研團隊基于離散照明實現高保真壓縮超快成像的科研成果
單次多幅超快光學成像，作為一種成像速度可以超過十億幀/秒的探測技術，已經被廣泛應用于一些不可逆或難以重復超快動態場景的實時可視化，是人類理解各種瞬態物理、化學和生物現象的關鍵技術。其中，壓縮超快成像（CUP）技術通過結合壓縮感知原理與條紋成像技術成功將成像速度突破至百萬億幀/秒的量級，成為單次多幅超快光學成像領域不可替代的有力工具。然而，該技術工作在連續時序偏轉模式下，通常是幾十至數百幀的動態場景被壓縮為一張二維圖像采集，過高的數據壓縮比極大地退化了該技術的圖像重建質量，并嚴重制約了其捕獲復雜超快場景的能力。
為了解決這個難題，齊大龍研究員和張詩按教授研究團隊基于時域脈沖整形技術開發了一種高保真離散照明增強型壓縮超快成像（DI-CUP）技術。該技術通過將單個超短脈沖整形為一系列在時域上分離的脈沖序列，并利用其對超快動態場景提供離散式的照明，可以靈活控制壓縮成像的數據壓縮比，從而使得圖像重構算法可以以更高的空間分辨率和更優秀的成像質量對場景進行還原。
研究團隊研制的實驗系統如圖2所示，主要包括超短序列式脈沖串產生模塊、壓縮感知條紋成像模塊和外置靜態成像模塊。首先將單個超短脈沖通過脈沖整形器整形為脈沖序列，隨后該脈沖序列中的子脈沖按順序照射在動態場景上，形成數十個飛秒量級的“閃光”。光子由鏡頭收集形成中間場景后，由一個光學分束器分離并分別進入壓縮感知條紋成像和外置靜態成像模塊進行強度配準成像。最后，借助高性能圖像重構算法，即可精確還原每個子脈沖對應時刻動態場景的時空動力學信息。
圖2.離散照明增強型壓縮超快成像技術的實驗系統
通過對飛秒激光誘導硅沖擊波動力學的實時觀測（如圖3所示），研究團隊證實DI-CUP記錄的瞬時圖像與高精度泵浦-探測（Pump-probe）顯微成像技術記錄的瞬時圖像高度一致，展示了該技術在記錄具有復雜空間結構的超快動力學方面的可靠性。我們相信，DI-CUP將在各種超快動態實時觀測中發揮重要作用，并推進科學和工業領域的新發現。
圖3.離散照明增強型壓縮超快成像技術與泵浦-探測顯微成像技術的觀測結果對照
該研究成果近期在線發表于Advanced Science2024, 2403854，華東師范大學為第一完成單位，華東師范大學博士后姚佳麗和博士研究生郭姿含為論文的共同第一作者，齊大龍研究員、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基金委員會（12074121, 12325408等）和上海市科學技術委員會（21XD1400900）的支持。
附：論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202403854
來源｜精密光譜科學與技術國家重點實驗室。科技處 編輯｜沈韻婷 編審｜郭文君
