高速摄影机是人们用来观测和揭示快速演变事物或现象的利器，在人们认识世界改造世界的过程中发挥着重要作用。深圳大学李景镇/徐世祥教授团队最近研发出了一种具有高时空分辨率和高摄影频率超快成像系统。借助于全光的技术手段，该系统将高速成像的摄影频率推高到15万亿幅/秒，并且拥有5´10-14秒级的时间分辨和微米级的空间分辨，达到世界先进水平。

据该团队介绍，高速摄影机的关键技术挑战之一是如何记录拍摄到的一系列时间间隔很短的图像，例如炸弹的爆炸过程、航天飞船、导弹等飞行器发射或降落阶段的飞行规律的实时成像，精密激光加工中的激光与物质相互作用过程的实时观测和诊断，核聚变过程的快速演化过程的实时记录，活体细胞中的冲击波相互作用以及各种化学反应等过程的实时成像。想要对这些快速变化的事件进行准确的成像记录，就需要高速摄影机具有足够短的快门时间（足够高的时间分辨），足够小的拍摄时间间隔（足够高的摄影频率）。另外，往往还需要足够高的空间分辨以识别事件的空间精细结构。深圳大学李景镇/徐世祥教授团队这项科研成果的设计特色，在于系统仅包含一组名为非共线光参量放大器。这种设计利用响应极快的非线性光参量转换过程可方便地将一系列时间间隔很短的图像转化为一系列空间分离的图像，从而能轻易地被商用相机接收。

该系统无需特殊设计的快响应相机，也无需任何扫描装置，即摄影频率不受相机响应速度或电光扫描速度极限的制约。该系统在成像过程中没有任何运动，这意味着它的动态空间分辨等价于其静态空间分辨。该研究团队展示了利用该装置实现对等离子体光栅和旋转速度为10万亿弧度/秒的旋转光场（如图2所示）的超快成像。另外，实验结果还很好地展示了该装置可很便捷地拓展到显微成像技术领域。

图1 成像系统的原理图。

该研究团队解释了成像系统的原理——采样脉冲（The sampling）照射目标物体，经过4个光学成像转换器（OIC），即非共线光参量放大器。当泵浦光脉冲（标记为“Trigger”）入射OPA时，产生闲频光（标记为“Recorded”）。在泵浦光脉冲之间引入延迟，可以通过使用传统的CCD相机拍摄闲频光来获取时序多幅图像。

图2 旋转光场以10万亿弧度/秒旋转的时序分幅图像

这种成像技术可应用于短至10-13秒时间尺度的超快事件进行精准成像。这类事件包括超快激光切割、打孔、微结构制造等过程，惯性压缩核聚变的快点火过程，化学反应的成像与诊断，基于激光拉丝的大气物理现象以及活体细胞中的冲击波相互作用等，在工业制造、核物理与大气物理、激光化学和生物医学等领域均有重要的应用前景。

该研究成果的论文发表在《Advanced Photonics 》期刊2020年第5期。《Advanced Photonics》期刊主编Anatoly Zayats教授认为：“深圳大学的研究团队展示了快门速度创纪录的超高速摄影成像技术，这项研究为在各个领域研究超快过程提供了新的机会。”

见习编辑 连博