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捕获超快非透明场景
发布时间:2023-08-08 09:08:32 阅读:499

来源:Julie Robert, 国家科学研究所(INRS);电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 李博扬 编译

单次超快太赫兹摄影系统示意图。来源:Roberto Morandotti (INRS)

    国家科学研究所(INRS)的Roberto Morandotti教授团队首次实现了单次超快太赫兹摄影。这项发表在《自然通讯》上的重要成果能够以亚皮秒级的分辨率实现时间与空间的超短动力学演化。

    此外,学者们将能够揭露控制动力学的隐藏自然规律,这需要超出电子传感器极限几个数量级的成像速度。

    与传统光学波长领域超快成像技术的快速发展不同,太赫兹辐射的单次超快成像仍然有很大的探索空间。这主要是因为在太赫兹频段缺失了几个关键技术,例如超快成像不可缺少的高速调制设备和高速相机。

    “这是我们团队以及合作者在光学领域的一项重要成就。通过利用太赫兹独特的穿透能力,我们的系统能够在光学不透明的场景中捕获到超短事件,这些事件无法在传统光学频段被捕获。”超光速操控实验室负责人、本论文的通讯作者Roberto Morandotti说到。

    “我们已经成功打开了单次超快成像在太赫兹领域的大门。多亏了我们的工作,我们能够捕获到小于1皮秒的帧间时间间隔的非可逆超快现象的电影,”INRS的Morandotti实验室研究助理、本论文的第一作者Junliang Dong说到。

    使用太赫兹辐射的超快成像

    单次超快摄影技术已经成为阐明各种自然界超快现象背后复杂动力学的一项关键技术。在超快激光器,高速相机以及计算成像这些领域最新进展的推动下,单次超快光学成像已经能够以每秒超过一万亿帧的速度捕获2D瞬态场景,其速度足以可视化以光速穿过空间的光脉冲。

    然而,先进的单次超快成像技术需要成像目标是光学透明的。这种限制阻碍了这项技术研究许多发生在光学穿透深度较浅介质中的重要超快现象,例如陶瓷中激光烧灼的动力学,铁膜中的磁化以及半导体中的载流子激发。

    目前,使用太赫兹辐射的成像由于其‘穿透’各种材料的能力引起了学者们极大的兴趣。然而,由于缺少高速太赫兹相机技术,单次超快太赫兹成像仍然处于萌芽阶段。

    在这项研究中,来自 INRS Energie Matériaux 电信研究中心的 Morandotti 团队利用精心设计的光学探测光束进行太赫兹检测的电光采样技术,该探测光束在时域和空间频域中同时复用。

    “由于其只依赖于普通的光学元件,例如分光器,光学延迟线,光栅以及CCD相机,我们的技术基本绕开了任何太赫兹高速设备。即便如此,它也能够记录单次太赫兹波所携带的超快场景。”Morandotti教授解释道。

    这些发生在二维空间和飞秒到皮秒级时间尺度中的瞬态事件的实时成像反映了各种复杂以及难以理解的基础机理,例如化学反应和光与物之间的相互作用。

    传统的泵浦-探针方法通过反复测量来记录超快动态。然而,许多超快现象每次发射有着显著的重要变化,这使它们不可重复。

    据研究者们介绍,他们的系统对于研究先进材料与结构中的不可重复性或破坏性动力学方面将成为一个前所未有的工具,例如二维材料,甚至生物物质,类似皮肤和角膜,这类典型的光学不透明物质。

 
 

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