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          華科團隊造出全球最快的光場攝像機
          發布時間:2022-11-17    來源:深科技   閱讀次數:597 分享到:

          近日,華中科技大學光學與電子信息學院教授李政言和團隊,通過獲取光場相位信息,實現了 256 萬億幀/秒的拍照幀率,借此造出目前世界上最快的光場攝像機之一。

          圖 | 李政言(來源“李政言”)

          在評審相關論文時,一位激光脈沖時空測量領域的專家表示,該課題組制作的超快光場攝像機是領域內多年來極度渴望的儀器和技術。

          在應用前景上,李政言表示:“我們期待超快光場攝像機在兩方面取得應用,一方面是服務大型激光裝置,另一方面是服務工業應用?!?

          就大型激光裝置來說,面向高能量密度物理、強場物理等前沿科學和能源、以及國防安全等戰略應用的需求,中國、歐洲、和美國都已建設了一批超大能量脈沖激光裝置。

          然而,這類裝置重復頻率極低。并且,巨大的光束口徑導致激光脈沖光場存在復雜的時空耦合。因此,需要先進的光場時空診斷設備,引導激光裝置進行優化,并為物理實驗的理論分析和數值仿真,提供初始輸入激光信息。

          就工業應用來說,激光精密加工有兩個趨勢,一是超快化甚至飛秒化,即使用飛秒激光作為光源,借此實現冷加工并提高精度;二是智能化,即以在線方式觀測材料的特性,并對激光參數做出調整。

          所以,通過安裝超快光場攝像機模塊,有望讓激光精密加工設備長出一只“眼睛”,也即通過實時采集探針光信號、以及觀測材料超快時間尺度相應,來對加工工藝做出動態優化。

          (來源:Light: Science & Applications)


          以較低成本實現極高的時間分辨率

          盡管成果很新,但是背景很“舊”,這要從 144 年前說起。1878 年,美國攝影師埃德沃德·邁布里奇(Eadweard Muybridge)使用安置在賽道上的 12 臺照相機,來拍攝奔跑的賽馬。

          借此證明馬在奔跑時會四個蹄子同時離地,解決了幾個世紀以來畫家和藝術家的困惑,并給電影發明帶來了靈感。

          時隔一百多年,2018 年諾貝爾物理學獎部分授予杰哈·莫羅(Gérard Mourou)和唐娜·斯特里克蘭(Donna Strickland)這兩位科學家,以對他們發明的高功率超快激光的啁啾脈沖放大技術(Chirped Pulse Amplification, CPA)做出表彰。

          在激光精密加工、近視的激光視力矯正、慣性約束核聚變等高功率超快激光的應用中,每一個超快激光脈沖仿佛一匹光速奔跑的“賽馬”,在各類物質的“賽道”上穿行時。

          對于激光脈沖和物質特性在極短時間內的演化現象,人們同樣充滿好奇,希望像邁布里奇那樣為激光與物質相互作用的過程“拍攝電影”。

          (來源:Light: Science & Applications)

          基于此,李政言制作了這臺超快光場攝像機。在超快光學領域中,它能為激光脈沖和激光照射的物質“拍攝電影”,并同時具有空間分辨和時間分辨的單發測量能力。

          幾十年來,盡管在超快光學領域出現了大量時間分辨測量技術,但多數方法主要測量不同時刻下某個物理量的演化,普遍缺少空間分辨能力;要么得讓激光脈沖的“賽馬”多次跑過物質“賽道”進行重復測量。

          而超快光場攝像機只需激光脈沖一次性地作用于物質,它記錄的是光速飛行的激光脈沖通過某個特定位置時,位于這一位置光場的二維空間分布。這樣,人們就能一次性得到激光脈沖三維時空分布的“電影”。

          而實現單發光場攝像的難點在于,如何使用常規照相機的等二維陣列式探測器,來一次性地記錄三維數據。

          研究中,該團隊借鑒了壓縮感知概念,在前人光學壓縮成像技術的基礎上,將待測光場的三維信息“壓縮”到二維探測器上并進行一次性采集,從而實現了攝像機的功能。

          此外,不同于一般攝像機或探測器記錄的是光強度信息,超快光場攝像機的記錄包括振幅和相位信息在內的“光場”信息。

          對于表征超快激光脈沖來說,獲取光場信息是非常重要的,它既決定著激光脈沖中各個顏色成分的時間先后關系,還決定著影響聚焦和成像質量的空間波前分布。

          另外,在對激光照射物質的探測過程中,獲取探針光束的完整振幅和相位信息,可以幫助人們完整了解物質不同位置的光學性質,同時獲取折射率、吸收率等重要參數的空間分布。

          該成果的另一亮點在于,超快光場攝像機以較低的成本,實現了極高的時間分辨率或“電影”幀率。

          日常生活中,我們觀看的電影幀率一般為 24 幀/秒,最高可以達到 120 幀/秒,僅能滿足人眼視覺暫留效應的要求。

          而李政言團隊的超快光場攝像機,記錄的是光速飛行的超快激光脈沖的“賽馬”過程,即在各類物質“賽道”上奔跑的過程,需要觀測飛秒(10-15 秒)時間尺度內發生的事件,所需的幀率在萬億幀/秒量級。

          近日,相關論文以《單次壓縮光場形貌》(Single-shot compressed optical field topography)為題發表在 Light: Science & Applications 上,唐浩程和門庭為共同第一作者,李政言擔任通訊作者 [1]。

          圖 | 相關論文(來源:Light: Science & Applications)


          為超快時間尺度內發生的任意事件拍攝電影

          據介紹,課題組的目標是為超快時間尺度內發生的任意事件“拍攝電影”。這項工作最早要追溯到十四年前李政言讀博期間。

          他說:“2008 年 8 月開始我到美國德克薩斯大學奧斯丁分校讀博士,第一次見到導師 Michael Downer 教授他就給我指派了博士論文課題:為超高強度超短激光脈沖在等離子體中激發的光速傳播的尾波‘拍攝電影’,這樣就可以對基于等離子體尾波的新一代桌面型電子加速器提供實時診斷?!?

          這是一個挑戰性極高的課題,經過六年的努力,李政言只能部分地解決這一問題。例如,在測量技術方面,他和當時的所在團隊發展了一種基于多束探針光和斷層成像技術(tomography)的方法,可以為光速飛行的折射率結構拍攝“電影”[2],并被 Nat. Phot. 以 News & Views 文章的形式再次進行報道。

          后來,他還觀測到了等離子體尾波縱向結構的演化規律 [3]。然而,為激光驅動的等離子體尾波“拍攝電影”的夢想一直沒能實現,主要難點在于無法在單發條件下,用二維探測器記錄三維數據信息。

          2014 年,李政言的合作者 Jinyang Liang(現為加拿大魁北克大學應用計算成像實驗室教授),發表了基于壓縮感知概念的超快照相技術的論文 [4],對前者解決等離子體尾波電影拍攝中遇到的維度問題,帶來了極大啟發。

          然而,超快壓縮照相技術獲得的是光場的強度時空分布信息。另一方面,等離子體尾波主要調制探測激光的相位。

          那么,如何使用超快壓縮照相技術來同時測量包含振幅和相位的光場信息,就成為亟待解決的問題。同時,這也是研究基于壓縮感知的超快光場攝像機的問題來源。

          2017 年,李政言回國入職華中科技大學,經過前期實驗室建設和武漢疫情,他和團隊終于在 2020 年秋季,開始了針對超快光場攝像機的研究。

          (來源:Light: Science & Applications)

          “研究早期充滿了掙扎,一方面我們需要反復試錯以完成實驗系統光學設計和成像質量的不斷優化,另一方面激光光場高光譜圖像的壓縮感知重構技術以及相關算法,對我們來說是新事物,需要不斷積累經驗?!彼f。

          在這過程中,李政言非常感謝負責具體實驗和數據處理工作的研究生唐浩程和門庭,以及 Jinyang Liang 教授和他的學生 Xianglei Liu。

          他繼續說道:“唐浩程和門庭當時是剛剛入學的一年級研究生,面對陡峭的學習曲線雖然也曾抱怨這個課題‘就像要去五金店里翻找一些零件組裝成一部汽車’,但憑借扎實的理論實驗基礎和頑強的毅力,以及合作者在壓縮照相重構算法方面的有力支持,終于克服了種種困難?!?

          到 2021 年秋,他們終于能以較好的可靠性,實現飛秒激光脈沖的超快光場攝像機,并利用它對光速飛行的激光等離子體電離前沿進行表征測量。

          (來源:Light: Science & Applications)

          然而,對于超快光場攝像機的探索并未結束。因為,為等離子體尾波“拍攝電影”的夢想并未實現。

          “也許我們已經找到更好的途徑,離目標更近了一些,但仍需要朝著既定方向努力工作。進入 2022 年,我們繼續進行超快光場攝像機相關的研究,并取得了一些進展,主要體現在進一步提高系統穩定性和可靠性、獲取更全面的矢量光場信息、探索更多的超快光場攝像機應用等?!崩钫员硎?。

          如今,2022 年即將迎來尾聲。對于更久之后的規劃,他表示:

          其一,將進一步完善超快光場攝像機技術。目前的方法基于標量光場的假設,只測量了待測光場的振幅和相位信息。但是,實際的光場具有矢量形態的電磁波,這時面對待測光場的偏振態以及矢量特征,就得做出完整的測量。

          其二,他計劃完成一些基于超快光場攝像機的典型泵浦-探測實驗。泵浦-探測實驗,是探索物質超快時間尺度屬性的有力工具。因此,他希望使用超快光場攝像機,來為探針光拍攝光場“電影”。其三,他也打算實現一些基于超快光場攝像機的應用。

          基于此,李政言希望與領域內專家展開更多合作。尤其是在大型激光科學裝置上,他期待能研發出一種實用的、小型化的超快激光光場時空表征儀器。

          而在工業應用方面,他將繼續耕耘于為未來的超快激光加工設備配備一雙“眼睛”,從而實現基于材料特性實時觀測的智能加工。

          參考資料:

          1.Tang, H., Men, T., Liu, X. et al. Single-shot compressed optical field topography. Light Sci Appl 11, 244 (2022). https://doi.org/10.1038/s41377-022-00935-0

          2.Z. Li, et al., Nat. Commun. (2014) 5, 3085

          3.Z. Li et al., Phys. Rev. Lett.(2014) 113, 085001

          4.L. Gao, J. Liang et al., Nature (2014) 516, 74–77

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