單次超快太赫茲攝影系統的原理圖

由Roberto Morandotti教授領導的國家科學研究研究所(INRS)的一個研究小組報告了單次超快太赫茲(THz)攝影系統的首次實現。發表在《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力學的空間和時間演變。

換句話說，研究人員現在將能夠發現控制動力學的隱藏自然法則，這需要超出電子傳感器極限的成像速度。

與傳統光學波長下超快成像的快速發展不同，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嚴重缺乏關鍵器件，例如高速調制器和相機，而這些器件通常是超快成像不可或缺的。

超高速光操縱實驗室科學負責人Roberto Morandotti教授說：“這項工作是我們團隊和光學領域合作者的一項重大成就。通過利用太赫茲輻射的獨特穿透能力，我們的系統能夠在光學不透明的情況下捕獲超短事件，這些事件通常無法通過傳統的光學頻率進入。”

INRS莫蘭多蒂實驗室的研究助理，該研究的第一作者Junliang Dong說：“我們已經成功地解鎖了太赫茲范圍內的單次超快成像。由于我們的工作，我們現在可以捕捉到幀間時間間隔小于1皮秒的不可逆超快現象的電影。”

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象背后復雜動力學的關鍵技術。在超快激光器、高速相機和計算成像領域的最新進展的推動下，單次超快光學成像已經能夠以每秒超過一萬億幀的速度捕捉二維(2D)瞬態場景，其速度足以使以光速在太空中傳播的光脈沖可視化。

然而，最先進的單次超快成像技術要求成像目標具有光學透明度。這種限制阻止了此類技術探索在光學穿透深度短的介質中發生的許多關鍵的超快現象，例如陶瓷中的激光燒蝕動力學，鐵膜中的磁化和半導體中的載流子激發。

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，單次超快太赫茲成像仍處于萌芽階段。

在這項研究中，Morandotti團隊利用電光采樣技術通過精心設計的光學探針光束進行太赫茲檢測，該光束在時域和空間頻域中同時復用。

莫蘭多蒂教授解釋說：“由于它僅依賴于常用的光學組件，例如分束器，光學延遲線，光柵和CCD相機，因此我們的技術基本上繞過了對任何太赫茲高速設備的需求。即便如此，它仍然足夠強大，可以在一個鏡頭中記錄太赫茲波攜帶的超快場景。”

這些瞬態事件的實時成像發生在二維空間和飛秒到皮秒的時間尺度上，反映了各種基本機制，這些機制仍然很復雜，而且大多無法接近，例如化學反應和光物質相互作用。

傳統上，泵浦探頭方法用于通過重復測量記錄超快動力學。然而，許多超快現象具有顯著的鏡頭間變化和低發生率，因此使它們“不可重復”。

據研究人員介紹，他們的系統被設想為一種前所未有的工具，用于研究先進材料和結構中的不可重復或破壞性動力學，例如2D材料，甚至生物物質，如皮膚和角膜，這些物質通常是光學不透明的。

審核編輯 黃宇