超快成像技術新突破：揭秘飛秒級動態過程的微觀奧秘
STS-UFP技術的出現為這一困境帶來了全新的解決方案，其獨特的設計思路與技術架構有望將超快成像技術推向新的高度，為超快現象的研究提供強大助力，開啟超快成像領域的新篇章，推動相關學科的持續進步與發展。
研究背景與技術挑戰
超快成像需求與傳統技術局限
觀察和記錄超快動態事件對于理解基本原理以及控制相關過程至關重要，例如慣性約束聚變、激光與物質相互作用、等離子體物理和激光手術等。傳統高速攝像機雖然能夠滿足微秒時間范圍內的動態觀察需求，但受限于芯片存儲和電子讀出速度，難以記錄更短時間尺度的動態場景。
分幅攝影技術通過時間分割的方式，利用多個物理或虛擬相機捕捉瞬態事件，能夠突破電子速度的限制，實現高達飛秒級的時間分辨率，成為觀測超快現象的主流工具。然而，現有的分幅攝影技術存在諸多局限，如序列深度有限、圖像質量欠佳、時間分辨率較低或幀間隔固定等問題，嚴重阻礙了對超快動力學的精確研究。比如，由分束器和多個門控相機組成的超快分幅相機雖圖像質量高，但卻在序列深度與光通量之間面臨權衡困境，且隨著序列深度的增加，成本大幅攀升。其他超快光學分幅攝影技術通常將時間信息轉換為波長、空間、空間頻率、角度或偏振等其他域的信息，但這些方法在增加通道數量、避免幀間串擾、減少信息損失以及靈活調整時間窗口等方面存在不同程度的困難，難以滿足多樣化超快現象研究的需求。
技術創新與應用
STS-UFP技術的核心原理
為應對上述挑戰，研究者們提出了基于時空剪切的超快分幅攝影技術——STS-UFP。該技術采用基于光譜穿梭的可調諧超短激光脈沖列來照明動態場景，以提取瞬態信息，并利用條紋相機通過時空剪切記錄離散幀。
其核心創新在于靈活的脈沖列生成與照明，采用光譜穿梭方法產生激光脈沖列，能夠靈活調整脈沖數量和時間間隔，從而確定序列深度和時間窗口。每個子脈沖的超短持續時間可實現對動態場景的精確時間切片，避免時空模糊。
時空剪切記錄與靈活檢測
時空剪切記錄與靈活檢測是另一大創新點，利用條紋相機進行時空剪切記錄，將不同時刻的圖像重新分配到不同的空間位置。通過改變掃描電壓的斜率，可輕松調整條紋相機的時間窗口，以適應不同時間尺度的超快過程檢測需求。
空間切片與序列深度平衡
為平衡視場（FOV）和序列深度，引入空間切片與序列深度平衡裝置。通過復制動態場景并進行垂直位移重新分配，使記錄區域轉化為三個水平排列的切片，從而在條紋相機入口狹縫處進行裁剪，增加序列深度的同時控制FOV的高度損失。
空間切片與序列深度平衡
STS-UFP技術的應用前景廣闊。在慣性約束聚變研究中，可精確捕捉燃料pellet壓縮過程中的超快動態變化，為提高聚變效率提供關鍵數據支持；在材料科學領域，能夠實時觀測激光加工過程中材料的超快響應與結構變化，助力優化加工參數，提升材料性能；在生物醫學方面，可用于研究飛秒激光手術中生物組織與激光的相互作用機制，指導手術參數優化，降低手術風險，提高治療效果。
成像實驗與結果分析
水中激光誘導等離子體與沖擊波成像實驗
在水中激光誘導等離子體與沖擊波成像實驗中，使用400nm飛秒激光脈沖橫向聚焦到蒸餾水中，通過STS-UFP技術以12個子脈沖（2ns時間間隔）作為探測光束，捕獲了從0ns到22ns時間窗口內的12個瞬態圖像。結果顯示，在0ns圖像中，高輸入激光強度和物鏡的緊密聚焦導致激光焦點附近發生自聚焦現象，迅速電離分子并形成等離子體通道；4ns圖像揭示了等離子體通道外沖擊波層的形成；6ns圖像清晰顯示出沖擊波和等離子體的輪廓并向外擴散；從4ns到20ns，沖擊波以約1.5km/s的相對穩定速度擴張，而等離子體擴張緩慢，導致沖擊波與等離子體分離。這一實驗結果驗證了STS-UFP技術對水下激光誘導等離子體和沖擊波動態過程的高分辨率、高幀率成像能力，為水下激光應用研究提供了有力工具。
生物組織飛秒激光消融成像實驗中，利用STS-UFP技術觀測洋蔥表皮細胞的飛秒激光消融過程。400nm飛秒激光脈沖聚焦到洋蔥表皮細胞表面，產生12個探測脈沖（2ns時間間隔）進行照明。結果顯示，飛秒激光作用后在細胞中心形成黑色區域，對應于激光誘導等離子體的產生；消融區域的透射率隨時間迅速下降，表明等離子體密度增加；消融區域逐漸擴大，通過測量0-20ns內紅色箭頭指示位置處黑色區域的半徑變化，可深入了解飛秒激光消融生物組織的動力學過程，為激光手術等生物醫學應用提供了關鍵數據支持。
硅表面飛秒激光誘導沖擊波成像實驗
硅表面飛秒激光誘導沖擊波成像實驗中，STS-UFP系統產生16個探測激光脈沖（0.5ns間隔），捕獲了7.5ns觀察時間窗口內的16個瞬態圖像。400nm飛秒激光脈沖聚焦到硅表面，0ns圖像展示了長激光絲的形成；0.5-1.5ns圖像中，消融區域產生大量等離子體，黑色區域指示等離子體中的激光激發電子吸收探測激光；2-7ns期間，沖擊波前沿快速擴張并呈現隆起效應；通過測量不同時刻沖擊波在水平和45°斜方向上的擴張距離，并結合塞多夫-泰勒理論進行擬合分析，實驗與理論高度吻合，驗證了STS-UFP技術的高精度成像性能，為半導體制造等領域的激光加工研究提供了重要手段。
總結與展望
STS-UFP技術作為一種新型超快分幅成像技術，在超快現象觀測領域展現出巨大的潛力和價值。通過巧妙結合時間離散照明與時空剪切成像技術，實現了大序列深度、高圖像質量、超短曝光時間和靈活幀間隔的突破，成功解決了傳統超快成像技術面臨的諸多難題。其在激光誘導等離子體與沖擊波、生物組織飛秒激光消融以及硅表面激光誘導沖擊波等不同超快事件成像中的出色表現，充分證明了該技術的廣泛應用前景和強大的科研支撐能力。在未來的發展中，隨著技術的不斷優化和成本的降低，STS-UFP技術有望在更多領域得到推廣應用，進一步拓展人類對超快現象的認知邊界，為相關學科的發展和技術創新注入新的活力。
聲明：本文僅用作學術目的。
He, Yu, et al. Spatiotemporal shearing-based ultrafast framing photography for high performance transient imaging.Photonics Research 13.3 (2025): 642-648.
DOI：org/10.1364/PRJ.550060.
