超快科学 | 小尺寸的力量：基于超透镜的紧凑型超快成像系统

文章引用（点击阅读原文）：M. Marquez, G. Balistreri, R. Morandotti, L. Razzari, and J. Liang, “Metalens-Based Compressed Ultracompact Femtophotography: Analytical Modeling and Simulations”, Ultrafast Science 4, 0052 (2024).

图1.（A）压缩超紧凑飞秒摄影术 (CUF) 的原理。（B）超透镜设计中使用的圆柱形超原子的示意图。（C）使用CUF记录传播中的切伦科夫波（Cherenkov wave）的模拟仿真。

超快光学成像在捕捉极快时间尺度发生的瞬态时间演变现象方面起着关键作用，推动了从物理学到生物学等领域的突破。传统超快成像技术，例如压缩超快摄影（CUP），可以使用啁啾超短脉冲以每秒数百万亿帧的速度记录瞬态事件。然而，这些系统通常尺寸较大，限制了它们的多功能性和实际用途。如何在不牺牲性能的情况下，使超快成像系统更紧凑、更可靠、更通用？

 

为了解决这个问题，本研究集成先进的纳米光子学、压缩感知和深度学习，开发了单曝光压缩超紧凑飞秒摄影术（CUF）。通过模拟仿真，研究者验证了CUF将聚焦和色散功能结合在一个超色散的超透镜以实现单曝光超快成像的能力。CUF提供了一种变革性的解决方案来克服传统CUP技术在系统尺寸方面的局限性。该研究做为封面故事与近期发表在Ultrafast Science上。

发明于2014年的压缩超快摄影（CUP）是一种强大的单次超快光学成像技术。通过将压缩感知与条纹成像创新地相结合，CUP能以每秒数百万亿帧的速度记录瞬态事件。CUP的工作原理包括数据采集和随后的图像重建。在数据采集过程中，来自动态场景的光通过包含空间编码、时间剪切和时空积分的压缩感知方式被记录在一张二维测量图像中。随后，通过算法处理所记录的图像，CUP能够重建出该瞬时动态场景的视频。尽管具有强大的捕获瞬态事件的能力，现有基于CUP的系统通常配置庞大，容易出现光学错位，阻碍它们在研究和商业场景中的使用。

由加拿大魁北克大学国立科学研究院（INRS）梁晋阳教授和Luca Razzari教授领导的研究小组通过理论研究，验证了基于超透镜实现单次实时超快成像系统的可行性。这种新提出的成像模式称为压缩超紧凑飞秒摄影术（CUF）。该技术集成了超色散的超透镜（一种创新的光学元件），将传统光学的聚焦和色散功能结合到单个超紧凑设备中。与针对宽可见光谱进行优化而仅有相对较低的光谱分辨率的传统超透镜不同，CUF系统专为主动照明式CUP设计，可提供紧凑的替代方案，而不会影响CUP系统的性能。

研究团队通过设计一个透射式二值化编码图案来实现均匀的像素强度分布，进而增强系统的动态范围。为了确保最佳的光传输，超透镜采用偏振不敏感的圆柱形超原子设计，提供透射率约为90%的完整的 2π 相位覆盖。CUF将这种超透镜与编码图案一起使用，能够在单个压缩记录的照片中同时捕获时间和空间信息。最终的动态事件使用基于神经网络的算法重建。作者使用三种不同像素尺寸的传感器配置模拟测试了CUF系统的性能、展示了其强大的功能。本文的共同第一作者Miguel Marquez说：“我们通过模拟观测非线性晶体中传播的切伦科夫波（Cherenkov wave）以及在负分辨率目标上传播时前倾的瞬时啁啾脉冲验证了CUF超快成像的可行性。”