Ny ultrahurtig billedteknologi med høj billedhastighed og billednummer

Optagelse af billeder af ultrahurtige processer er en teknologi, der er nødvendig for mange avancerede fysiske, kemisk, og biologiske undersøgelser. Den seneste forskning foretaget af City University of Hong Kong (CityU) og Xi'an Jiaotong University har med succes udviklet en ny komprimeret ultrahurtig fotografisk teknik, muliggør både en ultrahøj billedhastighed og et stort billednummer. Efter at have overvundet de eksisterende begrænsninger, den nye teknik tilbyder et vigtigt redskab til at observere komplekse forbigående processer på femtosekundet (10 ^-15 anden) tidsskala.

Ultrahurtig fotografering er en vigtig køreteknik, der udvider forskernes forståelse af en række forbigående fysiske eller kemiske processer. Bygget på pumpesonde-teknikken initialiseret i 1980'erne, vinder af Nobelprisen i kemi og den egyptiskfødte videnskabsmand Ahmed H. Zewail var banebrydende inden for femtokemi, hvilket har muliggjort undersøgelser af ultrahurtige processer til et femtosekund (10 ^-15 s) tidsskala. Endnu, pumpesondemetoden indfanger kun et segment af en ultrahurtig proces ad gangen, og kan kun anvendes til at måle stabile og gentagelige ultrahurtige processer. Der er sket yderligere fremskridt i de seneste år. Metoder såsom tid eller frekvenskodet amplificeret billeddannelse, og komprimeret streak -kamera muliggør femtosekund -billeddannelse med en enkelt eksponering. Stadig, de eksisterende single-shot teknikker registrerer kun meget begrænsede billednumre med den hurtigste billedhastighed på femtosekunder, eller kræver brug af meget dyre streak -kameraer, derved begrænser deres anvendelsesområde.

For nylig, Dr. Wang Lidai, Lektor i Institut for Biomedicinsk Teknik på CityU og professor Chen Feng fra Xi'an Jiaotong University har i fællesskab foreslået den nye komprimerede ultrahurtige spektral-tidsmæssige (CUST) fotografering, som kan overvinde de eksisterende begrænsninger i billeddannelseshastighed, billednummer og spektral opløsning. Gennem innovativ optisk computing, en femtosekund laserpuls kan kodes digitalt. Den tidsmæssige eller spektrale information komprimeres og rekonstrueres derefter. Denne nye billedteknik kan samtidig opnå høj billedhastighed, højt billednummer og høj spektral opløsning.

CUST kan opnå en ultrahøj billedhastighed på 3,85 billioner Hz (1 billion Hz =10 ¹² Hz), at kunne fange over 60 billeder af ultrahurtige billeder med ultrahøj sub-nanometer spektral opløsning i et enkelt skud. Med CUST, forskergruppen registrerede spredning i realtid, refleksion og selvfokusering af femtosekund laserpulser, som er ultrahurtige processer med en varighed på 20 picosekunder (1 picosekund =10 ^-12 s). Forskningsresultaterne er offentliggjort i det seneste nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

En anden fordel ved CUST er, at det ikke kræver dyre streak -kameraer. Sådan et ultrahurtigt billeddannelsessystem kan bygges med almindelige optiske enheder, herunder et spejl, gitter, femtosekund laser, og CCD -sensor, gør det billigere og lettere at være bredt ansat.

Som Dr. Wang forklarede, CUST er baseret på princippet om spektral-temporal kobling af femtosekund laserpulser. Computational imaging algoritmer bruges også. CUST -fotografiet består af tre trin. Først, en laserpuls sendes gennem et system med diffraktionsgitre og linser for at gøre det muligt at strække forskellige bølgelængder af laserpulsen i det tidsmæssige domæne ved dispersion, danner en "kvidret puls" af længere varighed. Sekund, den kvidrede puls interagerer med den ultrahurtige proces, og forskellige komponenter i bølgelængderne kan registrere forskellige tidsmæssige oplysninger om den ultrahurtige proces. Tredje, CUST udfører 2-dimensionel (2-D) rumlig kodning på lysstråle, og bruger dispersion til at komprimere forskellige spektrale oplysninger på et 2-D CCD-plan. Endelig, flere ultrahurtige billeder med rumlige og tidsmæssige dimensioner rekonstrueres fra 2-D CDD-billedet ved hjælp af en komprimeret registreringsalgoritme.

Dr. Wang mener, at denne forskning har gjort det muligt at erhverve billeder af femtosekunder over en lang periode med et bredt spektrum, og vil lette forskningen i ultrahurtige processer i fysik, kemi og biologi, såsom registrering af forbigående spredning af fotoner og fononer i mikrostrukturer af avancerede materialer, og spredning af elektriske signaler i neuroner, blandt andre. De lave omkostninger giver også flere forskningsinstitutioner mulighed for at bruge denne teknologi.