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单次多幅超快光学成像助力追光梦想｜上海市科学技术奖

2023-11-10 07:31

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

2022年度上海市科学技术奖

强国复兴有我

优秀创新成果展示

今年5月，科技蓝闪耀上海。期间，暌违两年的上海市科学技术奖于5月26日在上海展览中心再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。

2022年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众展示获奖成果。

本期“档案”大揭秘

项目名称：单次多幅超快光学成像技术及应用

完成单位：华东师范大学等

完成人：张诗按等

奖励等级：技术发明奖一等奖

时间和空间是我们认知世界，并获取信息最重要的两个维度。在时间尺度上，从数十亿年的天体年龄至毫秒量级的快速射电暴，都是天体物理学家们关注的时间尺度；从微秒至纳秒时间尺度，包含了空化气泡、裂变和聚变等丰富的物理过程，随着时间尺度进一步缩短至皮秒甚至更短，包括原子、电子运动，以及可能发生在阿秒时间尺度的核子运动等动力学过程在过去二十多年都引起了科学家们极大的研究兴趣。在空间尺度上的研究历史则更为悠久，从天文望远镜到光学显微镜甚至电子显微镜，科学家们也一直为看得更清楚而努力。从光学成像的发展来看，这两个维度从来都是紧密联系在一起的，时空分辨率的提升共同推动了光学成像的发展。

其中超快光学成像致力于追求极致的时间分辨率，多个诺贝尔奖的获奖工作都深刻推动了该技术的发展。自1985年法国科学家热拉尔·穆鲁与加拿大科学家唐娜·斯特里克兰共同发明啁啾脉冲放大技术之后，光学成像技术的时间分辨率能够突破纳秒量级；而随着1999年美国科学家艾哈迈德·泽维尔发明泵浦探测技术以来，我们正式进入了具有飞秒量级时间分辨的超快光学成像时代。虽然超快光学成像随着光电技术的发展取得了巨大进步，但仍然面临一些技术瓶颈。一方面，我们通常使用的CCD或CMOS成像技术受限于微秒量级的芯片存储速度和数据读出速度，使得成像的时间分辨率很难进一步提升。这导致其对于发生在皮秒至纳秒量级的激光约束聚变中冲击波的诊断，以及皮秒量级的光学巨波形成过程等无能为力。另一方面，泵浦探测技术需要通过在时域进行高精度扫描，不断重复地激发同一动力学过程，然后利用一束超短激光脉冲在不同时刻进行探测实现超快场景的记录。正是由于这种时域扫描的方式，导致它对动态场景的可重复性和稳定性要求非常高，难以感知不同脉冲之间的实验条件差异，因此对非可逆超快动力学的研究极大受限。

面对这样的研究现状，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室张诗按研究员和孙真荣教授带领的联合研究团队长期以来致力于发展单次多幅超快光学成像技术并拓展其应用方面的研究。特别是针对单次曝光下成像帧数少、成像维度低和时空分辨率相互制约等技术瓶颈，通过提出基于光场调控和信息复用的创新技术路线，对技术瓶颈进行各个击破，发明了一系列具有自主知识产权的单次多幅超快成像新技术。

大幅度提升成像帧数

传统单次超快成像为避免信息混叠，通常将不同时刻信息分布在面阵探测器的不同位置，导致其成像帧数通常仅在二十幅左右，难以呈现完整的超快动力学信息。要想解决这个问题，需要同时克服如何对动态场景进行连续时间切片并将空间信息复用，以及如何将压缩二维图像数据高保真地还原为三维图像立方的困难。研究团队通过将压缩感知采样与时空转换相结合，在国内首次发展了压缩超快成像技术。该技术将不同时刻的信息投影至探测器的不同空间位置，虽然这些信息在空间上有所混叠，但团队通过自主开发一系列图像重构算法，实现了单次曝光下数百帧的超快成像。在此基础上，团队很快注意到压缩超快成像中条纹相机这一关键器件的弊端，他们提出利用电光偏转成像代替条纹相机功能的全光型超快电光偏转成像新技术，不仅解决了条纹相机的“卡脖子”问题，而且装备更加紧凑、成本更加廉价。

连续突破成像维度

长期以来，超快成像通常只能获取超短时间尺度内平面空间和时间的信息，而无法获取光谱和空间上深度的信息，限制了对超快动态场景空间三维结构和物质成分信息的提取。要获取超快动态场景的高维度信息，需要重点关注的难题包括：将待测维度信息转换到平面空间，以及实现低维到高维的信息还原并将不同信息通道耦合。研究团队重新构建了超快动态场景的压缩成像过程，通过对空间编码后的待测场景分别在光谱维度进行横向偏移、在时间维度进行纵向偏移，实现了平面空间-时间-光谱四维场景信息到空间二维图像数据的压缩采集，并利用二维压缩图像到四维数据的重建算法，发明了平面空间-时间-光谱四维信息分辨的高光谱压缩超快成像新技术。在此基础上，他们进一步引入时间飞行压缩超快成像进行双通道采样，利用时间飞行法获取超快动态场景空间深度信息，并通过对各自通道对应时刻的信息进行耦合，实现了立体空间-时间-光谱五维信息分辨的单次多幅超快成像，也创造了单次超快光学成像的维度纪录。

进一步提高空间分辨率

在超快光学成像研究中，尤其是对具有复杂空间结构极端超快动态场景的观测，需要同时具备超高时间和空间分辨率。然而，由于超快动态场景的光通量非常有限，在传统超快成像中时间和空间分辨能力是相互制约的。为此，研究团队通过构建具有时间和光谱映射关系的超短激光脉冲作为照明光源，让不同波长的光携带待测动态场景不同时刻的信息，然后采用光谱成像方法即可实现超快探测。该主动照明分幅成像型超快成像同时实现了优于100飞秒的时间分辨和亚微米的高空间分辨，技术指标均处于国际领先水平。

重要应用和发展前景

在大力发展技术的同时，研究团队紧密瞄准服务国家重大需求和科技及工业前沿，相关核心技术成果及所研制的仪器装备已分别在这两方面实现了示范应用。在满足国家重大需求方面，压缩超快成像装备在中国工程物理研究院激光聚变研究中心“神光III”装置的冲击波测速实现了应用，与中国科学院物理研究所合作在位于上海光学精密机械研究所的“神光II”装置上实现了冲击波光学测温诊断，被西北核技术研究所应用于发展Z箍缩驱动聚变的新型诊断工具，相关应用解决了常规核爆检测无法获取空间二维连续动态图像信息的技术难题。在服务科技及工业前沿方面，高维度超快成像装备在北京物科光电技术有限公司实现了超快时空耦合光场和超快荧光寿命的精密测量，超快分幅成像装备满足了宁波匠心快速成型技术有限公司等多家精密制造企业飞秒激光加工探测的需求，相关应用解决了激光加工动态实时观测和激光参数在线实时优化的技术难题。项目负责人张诗按表示：“虽然单次多幅超快光学成像是一项极具挑战的研究，但我们相信通过团队和同仁的不懈努力以及对该项目的技术攻关和应用，有望极大推动我国超快光学成像核心技术和产业化的发展。”