深圳大学利用光参量放大技术研发超快高空间分辨率成像

深圳大学利用光参量放大技术创造了高空间分辨率成像的新记录。

全光学成像技术已被证实，可实现其开发者所描述的前所未有的帧速率，同时也帮助实现了可视化超快瞬态现象。

据麦姆斯咨询报道，深圳大学的研究人员基于其光参量放大(OPA)技术，可利用非线性光学效应改变特定晶体材料内光脉冲的波长和频率。

深圳大学研究团队认为，OPA是一种极具吸引力的候选技术，能够克服现有单次超快光学成像方法的局限性，以及单次高时空分辨率和帧率飞秒成像的挑战。

当使用特定信号光束和高频泵浦光束同时照射OPA时，信号光束会被放大;这一操作会产生所谓的闲频光子(idler photons)，其能量代表了泵浦光与信号之间的差异。

将这一原理应用到光学成像中，涉及到使用来自目标物体的激光光子作为一组OPA的信号光束，通过到达脉冲长度可有效地创建序列帧。然后OPA从每个图像中生成空间分离的“闲散图像(idler images)”，这些图像无需特定的快速响应相机就能够被记录下来。如果激光脉冲是超短波，那么闲散图像的产生也将同样快速，并且OPA成像的分辨率也相应更高。

深圳大学研究团队将这一原理应用到一种基于“非共线光参量放大(FINCOPA)”的分幅成像(framing imaging)的技术中。

图1 (a)为FINCOPA的原理示意图;(b)为FINCOPA的实验设置

该研究在其发表的论文中指出：“这种全光学方法不受快速扫描或偏转的活动机械及电子部件所束缚，而这对于实现高帧率来说至关重要。”

显微超快光学成像

该研究的FINCOPA平台使用了一组四级联OPA，信号光束能以连续顺序通过OPA。每个闲频信号都会被相应的传统CCD相机所捕获，并与主信号束的进行方向偏移。

“该系统由四组OPA级联与四架对应的CCD相机、四种不同的泵浦激光器的延迟线共同组成，该系统可在极短的时间内连续拍摄四张图像。”深圳大学研究团队评论道，“时间分辨率主要取决于触发OPA和产生闲频信号的激光脉冲持续时间。”

研究中使用激光诱导的空气等离子体光栅作为成像目标，激光脉冲持续时间为50飞秒，FINCOPA平台实验记录了50飞秒分辨率的帧图像，有效帧率达到10万亿帧/秒(Tfps)。

图2为以15 Tfps单次拍摄记录的超快旋转光场的四帧图像

该研究进一步改进使得超快旋转光场的成像效率达到15 Tfps，这被认为是高空间分辨率相机创造的快门速度高记录。

该技术的未来研究方向将包括：通过使用更短的触发脉冲进一步提高时间分辨率，以及使用更强的激光器来提高帧率。

该研究还将探究FINCOPA在显微成像方面的实际应用，并且已进行了初步试验：使用传统的显微镜物镜对链中OPA信号进行光学放大。结果发现，目标的微观结构能被清晰地记录下来。

图3 (a)为建立等离子体光栅生成器;(b)为建立超快旋转光学晶格生成器

该研究总结道：“使用FINCOPA进行显微超快光学成像，唾手可得!”