高速相機可以快速連續(xù)拍照。這使它們對于可視化超快動態(tài)現(xiàn)象非常有用，例如用于精密加工和制造過程的飛秒激光燒蝕，核聚變能量系統(tǒng)的快速點火，活細胞中的沖擊波相互作用以及某些化學反應。

在攝影中的各種參數(shù)中，微觀超快速動態(tài)過程的順序成像需要高幀頻和高時空分辨率。在當前的成像系統(tǒng)中，這些特性相互折衷。

但是，中國深圳大學的科學家最近開發(fā)了一種具有高時空分辨率和高幀頻的全光學超快成像系統(tǒng)。因為該方法是全光學的，所以沒有機械和電子組件掃描產(chǎn)生的瓶頸。

他們的設計側(cè)重于非共線光學參量放大器(OPA)。OPA是一種晶體，當同時用所需的信號光束和較高頻率的泵浦光束照射時，它會放大該信號光束并產(chǎn)生另一個稱為惰輪的光束。由于本研究中使用的晶體是非共線的，因此惰輪的發(fā)射方向與信號光束的發(fā)射方向不同。但是，這種設備在高速成像系統(tǒng)中有什么用呢?

答案在于級聯(lián)OPA。當泵浦光束處于活動狀態(tài)時，包含在信號光束中的目標信息通過OPA映射到惰輪光束上。由于惰輪沿不同的方向移動，因此可以使用“設置在側(cè)面”的常規(guī)電荷耦合器件(CCD)攝像機捕獲惰輪，同時信號光束移向OPA級聯(lián)中的下一個階段。

就像水在瀑布中的下落一樣，信號束到達后續(xù)的OPA，并且由同一激光源產(chǎn)生的泵浦束將其激活。除了現(xiàn)在，一條延遲線使泵浦光束稍后到達，從而使第二階段的OPA旁的CCD攝像機稍后進行拍照。通過將四個OPA與四個相關(guān)聯(lián)的CCD攝像機以及四個不同的泵浦激光延遲線進行級聯(lián)，科學家們創(chuàng)建了一個可以非常連續(xù)地拍攝四張照片的系統(tǒng)。

捕獲連續(xù)圖像的速度受兩條激光延遲線之間的差異可能很小的限制。在這方面，該系統(tǒng)實現(xiàn)了每秒15萬億幀的有效幀速率，這是高空間分辨率相機的創(chuàng)紀錄快門速度。相反，時間分辨率取決于觸發(fā)OPA并生成惰輪信號的激光脈沖的持續(xù)時間。在這種情況下，脈沖寬度為50 fs(十億分之一納秒)。結(jié)合令人難以置信的快速幀速率，該方法能夠觀察超快的物理現(xiàn)象，例如空氣等離子光柵和以每秒10萬億弧度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)光場。

Advanced Photonics總編輯安納托利·扎亞茲(Anatoly Zayats)表示：“深圳大學的團隊已經(jīng)展示了具有最快快門速度的超快照相成像。這項研究為研究各個領域的超快過程提供了新的機會。”

這種成像方法有改進的余地，但很容易成為一種新的顯微鏡技術(shù)。未來的研究將釋放這種方法的潛力，從而使我們更清楚地了解超快速瞬態(tài)現(xiàn)象。