超快光学成像通常以皮秒为单位，而高速电子相机则以毫秒和微秒为单位进行成像。为了弥合这些技术之间的差距，东京大学的一个研究小组开发了一种他们称之为“光谱电路”的技术，这是一种精密的光学电路，可以在多个时间尺度上高速拍摄超精细图像。利用这项新技术，研究人员展示了纳秒摄影以及超宽时间范围的高速摄影。
频谱电路产生无损的激光脉冲，这些脉冲被设置为以不同的时间间隔发射。除了可调的时间间隔外，频谱电路产生的脉冲序列还具有脉冲持续时间短、时间精度高等特点。脉冲操纵在自由空间内进行，同时保持光功率和短脉冲持续时间。
研究人员将光谱电路与一种称为顺序定时全光学映射摄影的单次光学成像技术相结合。研究人员使用光谱电路在纳秒时间尺度上提供时间拉伸方法，实现了基于STAMP的超精细曝光、纳秒尺度摄影。单次纳秒摄影表现出高空间分辨率、高信噪比和比帧间隔短约 103 倍的超精细曝光时间。
研究人员通过将光谱电路和STAMP与其他光子时间拉伸技术相结合来捕获飞秒-纳秒动态，并使用高速相机作为探测器来捕捉微秒-毫秒动态，从而实现了单次、多时间尺度、超快摄影。
尽管研究人员将频谱电路与STAMP一起使用，但通过优化每个参数设计或光学器件，该技术的使用可以扩展到突发脉冲生成和光谱学等应用。可以使用多种具有宽带宽的超快光源，包括超连续白光激光器、中红外激光器和紫外激光器。研究人员将光谱电路的多功能性归因于其基于色散光学和反射镜组合的自由空间操作。
研究人员通过拍摄穿过单个细胞的微观冲击波来展示新的成像技术。他们以 1.5 ns 的帧间隔和 44 ps 的曝光时间捕获了通过生物细胞传播的冲击波，同时抑制了图像模糊并避免了对细胞的损坏。
“据我们所知，这是历史上第一次直接观察到生物细胞与冲击波之间的相互作用，并通过实验证明冲击波在细胞内传播的速度比细胞外快，”研究员Takao Saiki说。“此外，我们的方法使我们能够在很宽的时间范围内展示高速摄影，包括皮秒、纳秒和毫秒的时间尺度。
研究人员使用相同的方法来可视化激光烧蚀对玻璃的影响。他们将一个超短激光脉冲聚焦在玻璃板上。使用光谱电路，他们观察了由此产生的冲击波和激光对玻璃的影响。他们可视化了多个时间尺度上的飞秒激光处理，并表明在皮秒时间尺度上产生的等离子体影响了随后在纳秒时间尺度上形成的冲击波。
“我们可以看到不同物理过程之间的相互作用随着时间的推移而发生，以及它们是如何形成的，”东京大学教授Keiichi Nakagawa说。“我们的技术使我们能够观察和分析这种超快过程，从而有机会揭示有用但未知的高速现象。
Nakagawa说，该团队计划使用新的成像技术来可视化细胞如何与声波相互作用，就像超声波和冲击波疗法中使用的声波一样。“通过这样做，我们的目标是了解激活人体后续治疗效果的主要物理过程，”他说。
该团队还希望使用光谱电路来改进激光加工技术，通过确定可以实现更快、更精确、更一致和更具成本效益的制造的物理参数。
“我们希望在各个领域做出广泛的贡献，从生物医学到制造、材料、环境和能源，”中川说。
该研究发布在《科学进展》上。
