超高速度捕获瞬态场景图像一直是科学家们追求的梦想和目标，这可以发现新物理现象并探索新物理过程，同时可以带动高新技术的产生。最近，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室张诗按研究员和孙真荣教授团队在压缩超快成像研究领域取得重要进展，包括：1）发明了一种光谱分辨压缩超快成像（HCUP）新技术，该成果以“Hyperspectrally compressed ultrafast photography”为题，于2020年1月16日发表在美国物理学会的《物理评论快报》（Physical Review Letters, 124, 023902 (2020)）上；2）发明了一种超快电光偏转成像（UEODI）新技术，该成果以“Single-shot receive-only ultrafast electro-optical deflection imaging”为题，于2020年2月3日发表在美国物理学会的《物理评论应用》（Physical Review Applied, 13, 024001 (2020)）上；3）鉴于在压缩超快成像领域的突出贡献，受期刊杂志主编的邀请撰写综述论文，以“Single-shot compressed ultrafast photography: a review”为题，于2020年2月28日发表在中国激光杂志社CLP和美国国际光学工程学会SPIE联合主办的《先进光子学》（Advanced Photonics, 2, 014003 (2020)）上，并作为该期杂志的封面文章。
华东师大科学家突破超快光学成像维度（从左至别为齐大龙副研究员、孙真荣教授、张诗按研究员）
突破超快光学成像维度，实现从时空到时空频维度跨越
光学成像作为可以记录空间、时间和光谱信息细节，在人类探索和发现未知世界奥秘扮演至关重要角色。同时获取高空间、时间和光谱分辨率的光学成像系统是目前光学成像研究领域的发展趋势，这在基础研究和应用科学领域都有非常重要的应用前景，包括生物医学成像、遥感成像、核爆炸探测等等。然而，在现有光学成像中，超快光学成像技术只能获得空间-时间信息，高光谱成像技术只能获得空间-光谱信息，而时间分辨光谱技术只能获得光谱-时间信息。因此，目前还没有一项光学成像技术能够在单次曝光下同时获取高空间、时间和光谱信息。
为了克服当前光学成像维度上的局限性，张诗按研究员和孙真荣教授团队发展了一种光谱分辨压缩超快成像（HCUP）新技术，如图1（a）和1（b），该成像技术不但具有超快的时间分辨能力，同时还能够拍摄光谱信息。HCUP是基于压缩感知理论的计算成像方法，通过对动态目标进行空间编码、数据压缩和计算解码，最终还原出原始动态目标时间、空间和光谱信息，成像帧率可以达到5´1011帧/秒，横向和纵向空间分辨率分别为1.26线对/毫米和1.41线对/毫米，不同帧频之间光谱间隔为1.72纳米。基于HCUP系统，研究人员首次在时间、空间和光谱维度上成功测量了啁啾皮秒激光脉冲和光致发光动力学过程，如图1（c）和1（d）。HCUP把光学成像从传统空间-时间或者空间-光谱信息突破到空间-时间-光谱信息，为探索极端条件下新的科学现象及规律提供强有力的技术支撑，有望促进科学研究和相关产业的进一步发展。该项研究成果发表在Physical Review Letters, 124, 023902 (2020)，该论文以华东师范大学为唯一完成单位，精密光谱科学与技术国家重点实验室的博士研究生杨承帅和曹烽燕为论文共同第一作者，齐大龙副研究员和张诗按研究员为论文的共同通讯作者。
（a）HCUP示意图；（b）HCUP实验装置图；（c）啁啾皮秒激光脉冲时间-空间-光谱测量；（d）光致发光动力学过程时间-空间-光谱测量。其中，图（c）和（d）横坐标代表光谱，纵坐标代表时间
另辟蹊径，突围国外关键核心器件封锁
压缩超快成像（CUP）是目前国际上最快被动式光学成像技术，其成像速度可以高达1011帧/秒，帧数可以达到350帧，但是在实际应用中仍然存在关键核心技术问题。在硬件方面，主要采用条纹相机进行成像探测，一方面，在成像探测中需要进行光子-电子-光子转换，在高电子密度下由于电子库伦相互作用，产生图像畸变，影响图像质量；另一方面，条纹相机依赖国外进口，许多单位禁运，限制走向实际应用，影响仪器市场化。为了解决这一关键科学技术问题，张诗按研究员和孙真荣教授团队发展了一种超快电光偏转成像（UEODI）新技术，如图2（a）和2（b）。该项技术采用电光偏转器进行成像探测，避免条纹相机成像中电子库伦作用，保证测量图像质量，同时不需要依赖进口，价格相对便宜，装置系统更加紧凑，设备国产化，具有完全独立知识产权。研制UEODI实验装置的时间分辨率可以达到20皮秒，即成像速度可以达到5×1010帧/秒。基于UEODI系统，研究人员实验上成功实现了对染料分子（罗丹明B）瞬态发光动力学的成像，如图2（c）。该项研究成果发表在Physical Review Applied, 13, 024001 (2020)，该论文以华东师范大学作为第一完成单位，精密光谱科学与技术国家重点实验室的博士研究生杨承帅为论文第一作者，张诗按研究员和孙真荣教授以及深圳大学徐世祥教授为论文的共同通讯作者。
超快电光偏转成像示意图（a）和实验装置图（b）染料分子（罗丹明B）瞬态发光动力学成像（c）
研究获国际同行高度认可，受杂志主编邀请撰写综述论文
压缩超快成像（CUP）技术是结合条纹成像技术和压缩感知算法，通过对动态场景进行空间编码、数据压缩和计算解码，最后还原出原始动态场景信息。由于CUP在时间分辨率优势和图像重构算法特殊性，目前已经被成功用在飞行光子捕获、三维物体目标测量、超快光场时空测量、信息通讯安全等研究领域，同时基于CUP方法也发展了一些新的光学成像技术，例如压缩超快光谱-时间成像、压缩超快电子衍射和显微、压缩光学条纹超高速成像等等。鉴于张诗按研究员和孙真荣教授团队在CUP研究领域的突出贡献，最近受国际重要期刊杂志Advanced Photonics主编的邀请撰写关于CUP进展的综述论文（Advanced Photonics, 2, 014003 (2020)），这也是CUP技术发明以来的第一篇综述论文，同时CUP工作被作为杂志的封面文章，如图3。该篇综述论文以华东师范大学为第一完成单位，精密光谱科学与技术国家重点实验室齐大龙副研究员为论文第一作者，张诗按研究员和孙真荣教授以及加州理工学院Lihong V. Wang教授为论文的共同通讯作者。
Advanced Photonics杂志主编邀请函（左图）和发表论文该期杂志封面图（右图）
近年来，张诗按研究员和孙真荣教授团队在压缩超快成像领域进行了一系列研究，主要包括两个方面，一是在技术创新与优化方面，包括提出基因遗传算法优化编码提高图像重构质量（Optica, 5, 147-151 (2018)）；采用增广拉格朗日算法解决图像重构稳定性问题（Journal of Optics, 21，035707 (2019)）；发展多次编码成像突破CUP系统仪器本身固有时空分辨率（Laser Physics Letters, 15, 116202 (2018)）；二是在技术应用和拓展方面，包括发展CUP系统实现皮秒激光脉冲的时空强度测量（Optics and Lasers in Engineering, 116, 89-93 (2019)）, 为超快光场时空精密测量提供新思路；发展电子编码的压缩超快电子衍射成像（Physical Review Applied, 10, 054061 (2018)）, 解决传统超快电子衍射时间抖动和多次测量问题；发展三维压缩图像信息和通讯安全（Advanced Quantum Technologies, 1, 1800034 (2018)），解决量子保密通讯传输带宽窄问题，同时该项研究工作被国际著名科技网站Advanced Science News做专题新闻报道（详见网页：https://www.advancedsciencenews.com/cryptographic-scheme-for-safer-information-travel/）。这些研究工作得到了国家自然科学基金委以及上海市科委的共同资助。
原文阅读：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.023902；
http://dx.doi.org/10.1117/1.AP.2.1.014003；
https://journals.aps.org/prapplied/pdf/10.1103/PhysRevApplied.13.024001
图文、来源｜华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室
编辑｜古丽达娜·巴哈提 编审｜吕安琪
