捕捉非透明的超高速场景

单次拍摄的超高速太赫兹摄影系统示意图。资料来源：Roberto Morandotti (INRS)

由Roberto Morandotti教授领导的国家科学研究院（INRS）的一个研究小组报告说，他们首次实现了一个单次拍摄的超快太赫兹（THz）摄影系统。这项发表在《自然通讯》上的重要成就将能够提供亚皮秒分辨率的超短动态的空间和时间演变。

换句话说，研究人员现在将能够揭开支配动力学的隐藏的自然法则，这需要的成像速度超过电子传感器的极限。

与传统光学波长的超快成像的快速发展不同，使用太赫兹辐射的单次超快成像仍然没有得到探索。这主要是由于严重缺乏太赫兹频率系统中的关键设备，如高速调制器和照相机，这些设备通常是超快成像所不可或缺的。

"这项工作是我们团队和合作者在光学领域的一项重大成就。通过利用太赫兹辐射的独特穿透能力，我们的系统能够在光学不透明的情况下捕获超短事件，而这通常是无法通过传统的光学频率获得的，"超高速光操纵实验室的科学领导和该研究的通讯作者Roberto Morandotti教授说。

"我们已经成功解锁了太赫兹系统中的单次超高速成像。由于我们的工作，我们现在可以捕捉到帧间时间间隔小于1皮秒的不可逆超快现象的电影，"INRS的Morandotti实验室的研究助理和该研究的第一作者董俊良说。

使用太赫兹辐射的超快成像
单次超快摄影已经成为阐明自然界各种超快现象背后的复杂动态的关键技术。在超快激光器、高速相机和计算成像领域的最新进展的推动下，单次拍摄超快光学成像已经能够以每秒一万亿帧以上的速度捕捉二维（2D）瞬时场景，其速度足以使以光速穿越空间的光脉冲可视化。

然而，最先进的单次超高速成像技术要求成像目标是光学透明的。这一限制使这种技术无法探索许多关键的超快现象，这些现象发生在光学穿透深度较短的介质中，如陶瓷中激光烧蚀的动力学，铁膜中的磁化，以及半导体中的载流子激发。

最近，由于太赫兹辐射能够 "看穿 "各种材料，使用太赫兹辐射的成像已经获得了极大的兴趣。然而，由于缺乏高速太赫兹相机，单次超高速太赫兹成像仍处于萌芽阶段。

在这项研究中，来自INRS Énergie Matériaux Télécommunications研究中心的Morandotti团队利用电光采样技术，通过精心设计的光学探针束进行太赫兹检测，在时间和空间频率领域同时复用。

"由于它只依赖于常用的光学元件，如分束器、光学延迟线、光栅和CCD相机，我们的技术基本上绕过了对任何太赫兹高速设备的需求。即使如此，它也足够强大，可以一次性记录太赫兹波携带的超快场景，"莫兰多蒂教授解释说。

发生在二维空间和飞秒到二十四小时的时间尺度内，这些瞬时事件的实时成像反映了各种基本机制，这些机制仍然是复杂的，而且大多是不可触及的，如化学反应和光-物质相互作用。

传统上，泵探方法被用来通过重复测量来记录超快动力学。然而，许多超快现象具有明显的射程变化和低发生率，从而使它们 "不可重复"。

据研究人员称，他们的系统被设想为一种前所未有的工具，用于调查先进材料和结构中的不可重复或破坏性动态，如二维材料，甚至生物物质，如皮肤和角膜，它们通常是光学不透明的。

参考资料：Junliang Dong et al, Single-shot ultrafast terahertz photography, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37285-3