a. SCARF系統示意圖。CCD 電荷耦合器件、G1–G2 光柵、L1–L4 透鏡、M1–M2 反射鏡。b. SCARF的運作情況，并附有說明性數據。

追求更高的速度并不只是運動員的專有。研究人員也可以用他們的發現實現這樣的壯舉。美國國家科學研究院(INRS)Jinyang Liang教授和他的團隊就是如此，他們的研究成果最近發表在《自然·通訊》(Nature Communications)上。該研究小組位于國家科學研究中心的能源材料電信研究中心，他們開發了一種新型超快攝像系統，每秒可捕捉高達156.3萬億幅畫面，精確度令人驚嘆。這是首次實現單次拍攝超快消磁的二維光學成像。這種名為 SCARF(掃碼孔徑實時飛秒攝影)的新設備可以捕捉半導體中的瞬態吸收和金屬合金的超快消磁。這種新方法將有助于推動現代物理學、生物學、化學、材料科學和工程學等廣泛領域的知識前沿。

在過去的基礎上不斷進步

Liang教授是世界知名的超快成像先驅。2018 年，他作為主要開發者實現了該領域的重大突破，為 SCARF 的開發奠定了基礎。到目前為止，超快相機系統主要采用逐幀順序捕捉的方法。它們通過簡短、重復的測量獲取數據，然后將所有數據拼湊在一起，制作成一部電影，重建觀察到的運動。

Liang教授解釋說："然而，這種方法只能用于惰性樣品或每次都以完全相同的方式發生的現象。易碎的樣品，更不用說不可重復的現象或速度超快的現象，都無法用這種方法觀察到。例如，飛秒激光燒蝕、沖擊波與活細胞的相互作用以及光學混沌等現象都無法用這種方法進行研究。”

Liang教授開發的第一個工具填補了這一空白。T-CUP(每秒萬億幀壓縮超快攝影)系統以被動飛秒成像為基礎，能夠每秒獲取十萬億(1013)幀。這是向超快單次實時成像邁出的重要的第一步。然而，挑戰依然存在。Liang繼續說："許多基于壓縮超快攝影的系統必須應對數據質量下降的問題，并且必須犧牲視場的序列深度。這些限制可歸因于其工作原理，即需要同時剪切場景和編碼光圈。"SCARF 克服了這些挑戰。它的成像模式可以實現靜態編碼光圈的超快掃描，同時不會剪切超快現象。這就為帶有電荷耦合器件(CCD)的相機上的單個像素提供了高達 156.3 THz 的全序列編碼率。這些結果可以在反射和透射模式下，以可調整的幀速率和空間尺度在一次拍攝中獲得。應用范圍廣泛

SCARF 使觀測超快、不可重復或難以再現的獨特現象成為可能，例如活細胞或物質中的沖擊波力學。這些進展有可能用于開發更好的制藥和醫療方法。

此外，SCARF 還能帶來非常吸引人的經濟附帶利益。Axis Photonique 和 Few-Cycle 這兩家公司已經在與梁教授的團隊合作，為他們正在申請專利的發現生產市場化版本。這對魁北克來說是一個很好的機會，可以鞏固其在光子學領域本已令人羨慕的領先地位。

這項工作是在先進激光光源 (ALLS) 實驗室與能源材料電信研究中心主任 Fran?ois Légaré教授、法國洛林大學Jean Lamour研究所的國際同行 Michel Hehn、Stéphane Mangin 和 Grégory Malinowski 以及華中科技大學的Zhengyan Li(中國)合作完成的。

審核編輯 黃宇