單次超快太赫茲攝影系統(tǒng)的原理圖

由Roberto Morandotti教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)家科學(xué)研究研究所(INRS)的一個(gè)研究小組報(bào)告了單次超快太赫茲(THz)攝影系統(tǒng)的首次實(shí)現(xiàn)。發(fā)表在《自然·通訊》上的這一重要成就，將能夠提供具有亞皮秒分辨率的超短動(dòng)力學(xué)的空間和時(shí)間演變。

換句話說(shuō)，研究人員現(xiàn)在將能夠發(fā)現(xiàn)控制動(dòng)力學(xué)的隱藏自然法則，這需要超出電子傳感器極限的成像速度。

與傳統(tǒng)光學(xué)波長(zhǎng)下超快成像的快速發(fā)展不同，太赫茲輻射的單次超快成像仍未得到探索。這主要是由于太赫茲頻率范圍內(nèi)嚴(yán)重缺乏關(guān)鍵器件，例如高速調(diào)制器和相機(jī)，而這些器件通常是超快成像不可或缺的。

超高速光操縱實(shí)驗(yàn)室科學(xué)負(fù)責(zé)人Roberto Morandotti教授說(shuō)：“這項(xiàng)工作是我們團(tuán)隊(duì)和光學(xué)領(lǐng)域合作者的一項(xiàng)重大成就。通過(guò)利用太赫茲輻射的獨(dú)特穿透能力，我們的系統(tǒng)能夠在光學(xué)不透明的情況下捕獲超短事件，這些事件通常無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的光學(xué)頻率進(jìn)入。”

INRS莫蘭多蒂實(shí)驗(yàn)室的研究助理，該研究的第一作者Junliang Dong說(shuō)：“我們已經(jīng)成功地解鎖了太赫茲范圍內(nèi)的單次超快成像。由于我們的工作，我們現(xiàn)在可以捕捉到幀間時(shí)間間隔小于1皮秒的不可逆超快現(xiàn)象的電影?！?/p>

使用太赫茲輻射的超快成像

單次超快攝影已成為闡明自然界各種超快現(xiàn)象背后復(fù)雜動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)。在超快激光器、高速相機(jī)和計(jì)算成像領(lǐng)域的最新進(jìn)展的推動(dòng)下，單次超快光學(xué)成像已經(jīng)能夠以每秒超過(guò)一萬(wàn)億幀的速度捕捉二維(2D)瞬態(tài)場(chǎng)景，其速度足以使以光速在太空中傳播的光脈沖可視化。

然而，最先進(jìn)的單次超快成像技術(shù)要求成像目標(biāo)具有光學(xué)透明度。這種限制阻止了此類(lèi)技術(shù)探索在光學(xué)穿透深度短的介質(zhì)中發(fā)生的許多關(guān)鍵的超快現(xiàn)象，例如陶瓷中的激光燒蝕動(dòng)力學(xué)，鐵膜中的磁化和半導(dǎo)體中的載流子激發(fā)。

最近，使用太赫茲輻射的成像因其能夠“透視”各種材料而引起了極大的興趣。然而，由于缺乏高速太赫茲相機(jī)，單次超快太赫茲成像仍處于萌芽階段。

在這項(xiàng)研究中，Morandotti團(tuán)隊(duì)利用電光采樣技術(shù)通過(guò)精心設(shè)計(jì)的光學(xué)探針光束進(jìn)行太赫茲檢測(cè)，該光束在時(shí)域和空間頻域中同時(shí)復(fù)用。

莫蘭多蒂教授解釋說(shuō)：“由于它僅依賴于常用的光學(xué)組件，例如分束器，光學(xué)延遲線，光柵和CCD相機(jī)，因此我們的技術(shù)基本上繞過(guò)了對(duì)任何太赫茲高速設(shè)備的需求。即便如此，它仍然足夠強(qiáng)大，可以在一個(gè)鏡頭中記錄太赫茲波攜帶的超快場(chǎng)景。”

這些瞬態(tài)事件的實(shí)時(shí)成像發(fā)生在二維空間和飛秒到皮秒的時(shí)間尺度上，反映了各種基本機(jī)制，這些機(jī)制仍然很復(fù)雜，而且大多無(wú)法接近，例如化學(xué)反應(yīng)和光物質(zhì)相互作用。

傳統(tǒng)上，泵浦探頭方法用于通過(guò)重復(fù)測(cè)量記錄超快動(dòng)力學(xué)。然而，許多超快現(xiàn)象具有顯著的鏡頭間變化和低發(fā)生率，因此使它們“不可重復(fù)”。

據(jù)研究人員介紹，他們的系統(tǒng)被設(shè)想為一種前所未有的工具，用于研究先進(jìn)材料和結(jié)構(gòu)中的不可重復(fù)或破壞性動(dòng)力學(xué)，例如2D材料，甚至生物物質(zhì)，如皮膚和角膜，這些物質(zhì)通常是光學(xué)不透明的。

審核編輯 黃宇