同时多尺度成像，实现千赫-兆赫级高加速测量--机器视觉网

化学反应、等离子体形成和激光诱导损伤等发生在不同时间尺度的各种快速瞬态事件（例如等离子体辅助反应），在实际放电时需要超高的成像速度，以便捕捉其变化过程（太赫兹级），但等离子体脉冲后的化学反应所产生的冲击波移动速率却相对较慢。

微信图片_20221214115837.jpg

目前，快照成像主要有两种技术：一种是用超快激光技术在极其有限的时间内实现太赫兹（THz）范围成像，另一种是在千赫兹（kHz）与兆赫兹（MHz）范围内连续成像。若对持续时间长、快速变化的瞬态过程进行高速成像，则需要更高的重复率。

现有的kHz到MHz高速成像可满足上述要求，然而该技术难以对发生在亚微秒时间尺度上的动态变化进行有效监测。近期，瑞典隆德大学（Lund University, Sweden）发明了一种超快成像技术可在5 THz频率下工作，实现在600飞秒（0.00000000000600秒）内的快速成像。

为解决上述问题，隆德大学Elias Kristensson团队基于激光的超快成像技术与常规高速cMOS相机相结合，实现了在相同时间尺度上产生时间分辨率、高空间分辨率的图像，研究中首次通过提取整个实验过程中高度混乱的喷射加速度矢量场，验证了这种组合在快速成像中的效率。相关研究成果发表于Photonics Research 2022年第7期。

该研究采用多次曝光频率识别算法（FRAME）技术，通过在脉冲序列中唯一标记单个脉冲，并在一次曝光中收集单个相机传感器上的所有叠加信息，在后处理步骤中识别标签来提取单个脉冲信息。该实验验证了在THz频率下行进的光脉冲的快速成像性能。

在这项研究中，三个高重复率纳秒激光源分别在一个相机内单独产生脉冲（图a插图）。每个光束在到达样品前都要经过一组光学器件（光束校正/扩展光学器件、Ronchi光栅和成像光学器件），以实现对单个脉冲的强度调制，进而达到“标记”脉冲的目的。利用自制显微镜在Photron SA5相机上可对带有便签和事件信息的脉冲序列进行捕捉并成像。通过产生与相机同频的脉冲激光，可获得样品的一系列空间调制图像（图b）；其中，单个图像如红框所示。设定光源间的脉冲间隔时间，利用锁定算法在傅里叶域中提取图像，可产生时域可分的三组图像。

微信图片_20221214115903.jpg

图以kHz到MHz的速率提取加速度数据：（a）每次相机曝光，发射三个多路复用ns激光器；（b）通过锁定放大提取三组图像;(c)提取速度和加速度图

由于获得了图像三元组，可对速度和加速度矢量场进行算法提取。文中进一步展示了图像信息的提取能力，例如液体雾化时液滴受到的空气阻力。图（c）展示了在注入过程中的三个不同时间提取的速度和加速度场的三个快照。

Elias Kristensson教授表示：“虽然双帧相机和脉冲激光器的发展使得测速成为可能，但加速度的测量一直局限于使用多相机光学配置。此外，技术差距限制了同时访问慢速kHz和快速MHz/THz过程，从而制约了高效跟踪各种快速瞬态事件。我们相信，高速摄影机与超快激光光源的新组合，将为深入了解自然界中的新事物提供更为便捷的探索工具。”