近日，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室齐大龙研究员、张诗按教授团队和中国科学院上海光学精密机械研究所朱健强研究员团队开展合作，在单次多幅超快复振幅光学成像技术研究方面取得重要进展。相关研究成果以Single-shot intensity- and phase-sensitive compressive sensing-based coherent modulation ultrafast imaging为题，于2024年4月24日在线发表于物理学顶级期刊Physical Review Letters上。
图1. Physical Review Letters 刊登张诗按教授科研团队实现单次多幅超快复振幅光学成像的科研成果
超快光学成像能够记录纳秒甚至飞秒时间尺度的瞬态过程，在物理学、化学、生物医学、材料科学等诸多领域发挥着不可或缺的作用。同时，相位作为光场的一个重要分量，承载了许多强度成像无法揭示的独特信息，例如能够提供关于物体形态、折射率和厚度等细节，这些信息对于理解和分析物体的内部结构和性质至关重要。然而，传统的超快光学成像技术大多无法同时获取强度和相位信息，这严重限制了对超快动态过程的全面理解。
针对这一领域内公认的科学性难题，张诗按教授领导的联合研究团队巧妙地将压缩感知原理、相干调制成像与时空偏转成像深度融合，提出了一种可以同时实现定量超快强度和相位成像的压缩感知型相干调制超快成像(CS-CMUI)技术。如图2所示，该技术将被测动态场景的强度和相位信息调制到脉冲光场中，通过压缩感知原理在单次曝光测量中获取脉冲光场复振幅信息的压缩快照，再结合深度学习与迭代计算的免训练图像重构算法，精确还原待测动态场景的时空强度和相位信息。
图2. 基于压缩感知原理的单次多幅超快复振幅光学成像技术原理图
研究团队搭建的实验装置如图3(a)所示，主要包括相干光源、动态场景、随机相位调制板和条纹相机。来自相干光源的激光脉冲照射动态场景，将其时变光场信息加载至激光脉冲中。经过衍射传播和随机相位调制后，进一步衍射传播并进入狭缝完全打开的条纹相机，实现时空偏转和快照压缩。通过对激光烧蚀动力学过程的实时观测，研究团队证实CS-CMUI能以极高的时间分辨率和相位保真度重建出动态场景的时空复振幅演化过程(如图3(b, c)所示)。可以预见，CS-CMUI技术将极大推动超快光学成像的发展，帮助研究人员从更加完整的视角洞察和分析超快动力学过程，为探索不可逆或难以重复的材料相变、等离子体动力学等提供关键技术支撑。
图3. 基于压缩感知原理的相干调制超快成像的实验系统与探测结果 (a) CS-CMUI系统装置图；(b) ITO薄膜激光烧蚀过程中的强度演化；(c) ITO薄膜激光烧蚀过程中的相位演化
该研究成果近期发表于Physical Review Letters 132, 173801 (2024)，华东师范大学为第一完成单位，华东师范大学博士研究生金诚挚和之江实验室博士后徐英明为论文的共同第一作者，齐大龙研究员、朱健强研究员和张诗按教授为论文共同通讯作者。研究工作获国家自然科学基金委员会(12325408、92150301、12074121、62105101、62175066、12274129、12274139)和上海市科学技术委员会(21XD1400900、21JM0010700)的支持。
