光學(xué)成像作為一種能夠提供豐富信息的可視化方法，在人類探索未知世界的歷程中發(fā)揮著不可替代的作用。而多維光學(xué)成像能夠同時獲取探測目標多個維度的信息，例如空間、時間、光譜、偏振等等，為觀察和分析探測目標提供了更加充分的條件。超快光學(xué)成像作為多維光學(xué)成像中一種具有超高時間分辨的成像技術(shù)，可以捕獲皮秒甚至飛秒時間尺度的超快動力學(xué)場景，在物理、化學(xué)和生物等領(lǐng)域超快現(xiàn)象研究中具有非常廣泛的應(yīng)用價值。

基于泵浦探測的超快成像技術(shù)雖然能夠獲取高分辨的多維度信息，但是其仍然對于聚變沖擊波、光學(xué)形成等一些不穩(wěn)定或不可重復(fù)的瞬態(tài)場景束手無策。幸運的是，基于壓縮感知和條紋成像的壓縮超快成像(CUP)彌補了傳統(tǒng)泵浦探測超快成像方法的不足。CUP因兼具高時間分辨率、高數(shù)據(jù)通量和單次曝光等特點而備受關(guān)注，目前已經(jīng)被成功應(yīng)用在超快光子捕捉、光學(xué)馬赫錐觀察和光學(xué)混沌動力學(xué)探測等超快現(xiàn)象研究中。

在眾多超快現(xiàn)象的研究過程中，人們格外關(guān)注待測動態(tài)場景的空間立體分布及光譜信息，這些信息對于觀察超快現(xiàn)象發(fā)生的動力學(xué)過程并探索其內(nèi)在的機制尤為關(guān)鍵。近些年來，超快光學(xué)成像已經(jīng)獲得迅速的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展了多種多維度超快光學(xué)成像方法，具備了空間立體或者光譜分辨能力。然而，目前還沒有一項能夠在單次曝光下同時獲取時間-空間-光譜 (x, y, z, t, λ)五維信息的超快光學(xué)成像技術(shù)。

近期，華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室張詩按教授的國際研究團隊發(fā)明了一種光譜立體壓縮超快成像(SV-CUP)，相關(guān)成果以Single-shot spectral-volumetric compressed ultrafast photography為題，發(fā)表在Advanced Photonics 2021年第4期，并被選為當期封面，如圖1所示。

圖1 Advanced Photonics 2021年第4期封面

如圖2所示，在單次曝光下，可以同時捕獲動態(tài)場景的空間(三維)，時間(一維)和光譜(一維)五維信息。在該實驗系統(tǒng)中，x、y、z方向的空間分辨率分別達到了0.39、0.35和3 mm（8.8 mm ´6.3 mm ´ 15 mm視場下），時間幀間隔為2 ps，光譜幀間隔為1.72 nm。通過對一個表面涂有量子點的立體人偶模型進行光致發(fā)光動力學(xué)成像，在實驗上驗證了SV-CUP的五維探測能力，如圖3所示。

圖2 SV-CUP系統(tǒng)裝置圖（a）和原理圖（b）

圖3 SV-CUP五維成像。(a)對表面涂有CdSe量子點的三維人偶模型的光致發(fā)光動力學(xué)成像的系統(tǒng)示意圖；(b)重建的人偶模型三維數(shù)據(jù)；(c)人偶在不同時間和波長的重建圖像；(d) 由SV-CUP數(shù)據(jù)提取的光致發(fā)光動力學(xué)曲線(藍線)及由條紋相機測量的曲線(紅線)；(e)由SV-CUP數(shù)據(jù)提取的熒光光譜曲線(藍線)及由光譜儀測量出的熒光光譜曲線(紅線)；(f)從SV-CUP數(shù)據(jù)提取的時間分辨光譜;(g)不同光譜成分的熒光壽命

SV-CUP將飛行時間壓縮超快成像(ToF-CUP)和高光譜壓縮超快成像(HCUP)兩種技術(shù)巧妙地結(jié)合，從單次測量的結(jié)果中提取五維信息。其中，ToF-CUP用于提取動態(tài)場景的空間三維信息(x, y, z)，而HCUP用于記錄空間-時間-光譜四維信息(x, y, t, λ)。根據(jù)時間映射關(guān)系，將ToF-CUP和HCUP的重構(gòu)結(jié)果進行數(shù)據(jù)耦合，最終恢復(fù)出完整的五維信息(x, y, z, t, λ)。

由此可見，SV-CUP提供了一種拓展超快光學(xué)成像維度的新方案，結(jié)合了計算成像、壓縮感知和圖像處理，實現(xiàn)了立體動態(tài)場景的高光譜超快成像，表現(xiàn)出了令人振奮的五維成像性能，有望在物理以及生化超快現(xiàn)象的研究中進一步拓寬分析視角，促進相關(guān)研究領(lǐng)域的進步與發(fā)展。