Att skaffa bilder av ultrasnabba processer är en teknik som är nödvändig för många avancerade fysiska, kemisk, och biologiska studier. Den senaste forskningen utförd av City University of Hong Kong (CityU) och Xi'an Jiaotong University har framgångsrikt utvecklat en ny komprimerad ultrasnabb fotografisk teknik, möjliggör både en ultrahög bildfrekvens och ett stort bildantal. Efter att ha övervunnit de befintliga begränsningarna, den nya tekniken erbjuder ett viktigt verktyg för att observera komplexa övergående processer på femtosekund (10 ^-15 andra) tidsskala.

Ultrasnabb fotografering är en viktig körteknik som utökar forskarnas förståelse för en mängd olika övergående fysiska eller kemiska processer. Byggd på pump-probe-tekniken som initierades på 1980-talet, vinnare av Nobelpriset i kemi och egyptiskfödd vetenskapsman Ahmed H. Zewail var pionjär inom femtokemi, vilket har möjliggjort studier av ultrasnabba processer till en femtosekund (10 ^-15 s) tidsskala. Än, pumpsondmetoden fångar bara ett segment av en ultrasnabb process i taget, och kan endast användas för att mäta stabila och repeterbara ultrasnabba processer. Ytterligare framsteg har gjorts under de senaste åren. Metoder som tid eller frekvenskodad amplifierad avbildning, och komprimerad streakkamera möjliggör femtosekundsavbildning med en enda exponering. Fortfarande, de existerande enklappsteknikerna registrerar endast mycket begränsade bildnummer med den snabbaste bildhastigheten på femtosekunder, eller kräver användning av mycket dyra streak -kameror, vilket begränsar deras tillämpningsområde.

Nyligen, Dr Wang Lidai, Biträdande professor vid institutionen för biomedicinsk teknik vid CityU och professor Chen Feng från Xi'an Jiaotong University har tillsammans föreslagit den nya komprimerade ultrasnabba spektral-temporala (CUST) fotograferingen, som kan övervinna de befintliga begränsningarna i bildhastighet, bildnummer och spektral upplösning. Genom innovativ optisk beräkning, en femtosekund laserpuls kan kodas digitalt. Den tidsmässiga eller spektrala informationen komprimeras och rekonstrueras sedan. Denna nya bildteknik kan samtidigt uppnå hög bildhastighet, högt bildnummer och hög spektral upplösning.

CUST kan uppnå en ultrahög bildhastighet på 3,85 biljoner Hz (1 biljon Hz =10 ¹² Hz), att kunna ta över 60 bilder av ultrasnabba bilder med ultrahög sub-nanometer spektral upplösning i ett enda skott. Med CUST, forskargruppen registrerade förökningen i realtid, reflektion och självfokusering av femtosekundlaserpulser, som är ultrasnabba processer med en varaktighet på 20 pikosekunder (1 pikosekund =10 ^-12 s). Forskningsresultaten publiceras i senaste numret av Fysiska granskningsbrev .

En annan fördel med CUST är att den inte kräver dyra streak -kameror. Ett sådant ultrasnabbt bildsystem kan byggas med vanliga optiska enheter inklusive en spegel, galler, femtosekundlaser, och CCD -sensor, vilket gör det billigare och lättare att ha stor anställning.

Som Dr Wang förklarade, CUST bygger på principen om spektral-temporal koppling av femtosekundlaserpulser. Beräkningsavbildningsalgoritmer används också. CUST -fotograferingen består av tre steg. Först, en laserpuls skickas genom ett system med diffraktionsgaller och linser för att möjliggöra att olika våglängder för laserpulsen kan sträckas i tidsdomänen genom dispersion, bilda en "kvitt puls" av längre varaktighet. Andra, den kvittrade pulsen interagerar med den ultrasnabba processen och olika komponenter i våglängderna kan registrera olika tidsinformation om den ultrasnabba processen. Tredje, CUST utför 2-dimensionell (2-D) rumslig kodning på ljusstråle, och använder dispersion för att komprimera olika spektralinformation till ett 2-D CCD-plan. Slutligen, flera ultrasnabba bilder med rumsliga och tidsmässiga dimensioner rekonstrueras från 2-D CDD-bilden med hjälp av en komprimerad avkänningsalgoritm.

Dr Wang anser att denna forskning har gjort det möjligt att förvärva bilder av femtosekunder över en lång tid med ett brett spektrum, och kommer att underlätta forskningen av ultrasnabba processer inom fysik, kemi och biologi, såsom att registrera övergående utbredning av fotoner och fononer i mikrostrukturer av avancerade material, och förökning av elektriska signaler i neuroner, bland andra. Den låga kostnaden gör också att fler forskningsinstitutioner kan använda denna teknik.