白皮书

这种强大的技术,可以实现以 1 万亿帧/秒的速率对单个超快事件进行成像

综述

连续定时全光学映像摄影 (STAMP) 使用相干公司的 Astrella激光器,在 ~ 100 fs 到 ~ ns 的时间尺度上捕获视频信号。 例如,这种技术可以用来研究太赫兹波的产生和传播(~ 100 fs)、激光烧蚀过程中的等离子体动力学(~1 ps)和水中的冲击波(~1 ns)。

Astrella

对高速成像方法的需求

传统的观察超快现象用的是泵浦/探测方法。 在这项技术中,使用激光脉冲来激发研究之中的样品,经过特定的短延迟后,探测脉冲抓取快照图像。 然后,在拍摄过程中,连续递增延迟时间,从而构建视频。 但是,这种技术需要反复测量,因为每次激发样品时只能拍摄一张照片。

Keiichi Nakagawa 教授(东京大学)的课题组,主要研究声波和光与材料(特别是活组织)的相互作用。 几年前,他们意识到需要一种单个动态(非重复)的超快成像方法,例如声波波前的传播方式。 因此他们开发了 STAMP 来满足这一需求 [1]。

几年前,他们意识到需要一种单个动态(非重复)的超快成像方法,例如声波波前的传播方式。 因此他们开发了 STAMP 来满足这一需求。

 

工作原理

STAMP 的基本原理如图 1 所示。STAMP 使用相干公司 Astrella 钛宝石飞秒放大器,具有宽光谱带宽和充足的单脉冲能量。 首先,飞秒脉冲通过啁啾进行展宽,产生不同波长的激光以交错延迟时间到达样品。 Nakagawa 将这个部分称为“时间映射”。

当激光通过样品后,每个子脉冲按波长分开,然后被探测器(CCD 或 CMOS)阵列的特定区域探测到。 因此每个区域变成一个单独的视频帧。 激光发射脉冲和探测的方式有点像快速的闪光灯照明和成像。

Figure 1

图 1:STAMP 将激光脉冲分离出不同波长(有时间延迟)的子脉冲。 照射样品后,子脉冲将按波长分离并记录在探测器阵列上 [1]。

 

扩展 STAMP 性能

自从最初开发这项技术以来,Nakagawa 小组一直在不断创新 STAMP,从三个方面扩展其功能。 一种是开发新的脉冲时序映射技术。 起初,他们依靠玻璃棒或光纤中的自然色散现象来实现时间映射。 但这样只能实现皮秒级或更短的时间尺度。

为了实现纳秒级,他们最近开发了一种称为“光谱回路”的光学设备。在这种方法中,先对光脉冲进行空间啁啾,然后进行捕获,光脉冲在四个反射镜产生的光路中循环(参见图 2)。光在逸出之前循环的圈数取决于波长。 每一圈循环都会释放一个子脉冲,其波长比前一个子脉冲更长。 这样就会产生纳秒级的子脉冲。

另外,他们也在尝试 STAMP 新的空间映射方法。 例如,他们发明了一种巧妙的多面镜,他们称之为“切片镜”。凭借这个多面镜,可以在两个探测器上对子脉冲进行 3X3 模式的成像,以获得总共 18 帧的视频脉冲,所有帧都具有高空间像素分辨率。

此外,Nakagawa 小组还开发了多色 STAMP,这是一种全新的超快单个事件成像概念。 比如双色 STAMP,使用了相干公司 Astrella 钛宝石飞秒放大器产生的二次谐波400 nm的子脉冲,以及基频光 800 nm 的子脉冲。 这一方案能够获得超快现象的“彩色图像”,从而实现前所未有的快速光谱成像。

Figure 2

图 2: 光谱回路的设置,循环圈数和延迟时间取决于脉冲波长 [2]。

 

STAMP 用于过程监控

Nakagawa 课题组使用 STAMP 来检查工业材料加工和生命科学等领域的过程监控。

太赫兹 (THz) 波是一种电磁波,在材料科学、生物技术和医学、电子设备和环境等领域具有广泛的潜在应用。 超短脉冲 (USP) 激光器广泛用于产生高强度超短太赫兹波。 由于这种现象发生在超短时间内,之前只能使用基于时间分辨的泵浦探测方法通过反复测量才能成像。

使用 STAMP,通过将超短脉冲观察铁电晶体的超快动力学,Nakagawa 课题组首次捕捉到产生太赫兹波的运动画面。

图 3 显示了以 4.4 Tfps 的速率捕获的太赫兹波产生和传播的动态过程。 刚开始时,晶格振动是随机激发的,然后逐渐相位对齐并产生单个波包。 这种波在晶体中以大约六分之一光速传播。 从拍摄的图像中判断出,它是一种电磁波,波长在太赫兹范围内。

Figure 3

图 3: 当单个 USP 激光脉冲激发铁电晶体的晶格振动时,产生的太赫兹 (THz) 波的 STAMP 图像序列 [1]。

超短脉冲激光烧蚀

皮秒和飞秒输出的超短脉冲激光器越来越多地用于精密微加工。 包括从医疗器械到智能手机组件等产品的钻孔、划线和标记。 因为超短脉冲激光的加工精度高。 而且几乎没有热效应的影响。

但目前大家都不太了解其加工过程的细节。 Nakagawa 课题组使用 STAMP 来研究这个过程。 他们对单个 35 fs 激光脉冲在玻璃样品上的烧蚀过程进行成像。

在此实验中,他们配置了双色 STAMP 装置,以实现 >1 Tfps 的有效帧速率。 图 4 的图像记录了实验过程。 从原始的双色图像中,得到了电子密度图。 通过实验数据,可以推算激光脉冲烧蚀产生的等离子体羽辉的大小、形状、速度和电子密度分布。

Figure 4

图 4: 显示单个 USP 激光脉冲烧蚀玻璃时产生的等离子体羽辉的 STAMP 图像 [3]。

 

冲击波在水中的传播

Nakagawa 课题组对激光脉冲在水里产生的冲击波进行了成像。 Nakagawa 解释说,超声波和激光与活组织的相互作用对于医学治疗、成像和生命科学研究非常重要。 (水是活组织的主要成分。)

如图 5 所示,他们绘制了冲击波前的传播图。 图像的灰度对比度表示冲击波强度。 Nakagawa 课题组通过观察 STAMP 捕获的动力学过程来研究冲击波与生物细胞相互作用。

Figure 5

图 5: 单个激光脉冲激发的冲击波前在水中传播的 STAMP 图像 [4]。

 

为什么选择相干公司的 Astrella?

Nakagawa 教授列举了 Astrella 完美契合 STAMP 研究的几个优点。 他指出,“就性能而言,Astrella 提供了高质量的输出光束,这一点很重要,因为光束质量直接影响图像质量。 Astrella 的光谱带宽更容易生成多个子脉冲,而且我们可以在需要时将脉宽压缩到 35 fs 左右。 高脉冲能量 (7 mJ) 是另一个关键优势,因为我们在时间和空间上将输出光束调制为 STAMP 脉冲会产生能量损耗,并且双色 STAMP 还需要一部分脉冲能量来产生 SHG 脉冲。 当然,我们还需要脉冲能量来激发样品。”

Nakagawa 教授还提到了几个优势,包括 Astrella 是一款免维护的一体化激光器。 这种操作简单性至关重要,因为激光器只是整套系统中的一个关键组成部分。 他指出,“这意味着使用 STAMP 的任何人无需成为激光专家,即可充分利用这项技术。 通过简单的用户界面,就可以精确控制激光器。 同样重要的是,我们发现 Astrella 非常稳定、可靠,无需保养或计划外的维修和升级。”

他总结道:“是的,我们非常喜欢这款激光器。”

“Astrella 提供了高质量的输出光束,这一点很重要,因为光束质量直接影响图像质量。 Astrella 的光谱带宽更容易生成多个子脉冲,而且我们可以在需要时将脉宽压缩到 35 fs 左右。

– Keiichi Nakagawa,助理教授
东京大学

总结

Nakagawa 实验室开发了这种独特的方法来获取单个事件的极高速视频,以支持他们的研究。 现在,由于他们的不断创新和 Astrella 操作的便捷性,使这种方法成为了一种灵活易用的技术。 这使得它广泛适用于其他飞秒到纳秒的快速动力学研究领域。

参考文献

[1] K. Nakagawa et al., “Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP).” Nature Photonics 8, 695–700 (2014).
[2] T. Saiki et al., “Spectrum circuit for producing spectrally separated nanosecond pulse train in free space.” CLEO 2020, Online, May 2020.
[3] K. Shimada et al., “Electron density imaging of ultrafast plasma dynamics with two-color STAMP.” ALPS2021, Online, April 2021.
[4] T. Saiki et al., “Nanosecond single-shot imaging system with a picosecond exposure time for monitoring the shock wave effects on cells.” Symposium on Shock Waves in Japan, Online, March 2021.

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