功率小：超透镜用于紧凑的超快成像系统

　　

超高速光学成像在捕捉发生在极快时间尺度上的瞬态时间演化现象方面发挥着关键作用，推动了从物理学到生物学等领域的突破。传统的超快成像技术，如压缩超快摄影（CUP），可以使用啁啾超短脉冲以每秒数百万亿帧的速度记录瞬态事件。然而，这些系统通常尺寸较大，限制了它们的通用性和实际使用。如何在不牺牲性能的情况下使超快成像系统更紧凑、可靠和通用？为了解决这一问题，本研究提出将先进的纳米光子学、压缩传感和深度学习相结合，开发单曝光压缩超紧凑飞秒摄影（CUF）。仿真结果表明，通过利用超色散超透镜，CUF将聚焦和色散功能结合在一个紧凑的设备中，实现单曝光超快成像，为克服传统CUP技术在系统尺寸方面的局限性提供了一种变革性的解决方案。这项研究最近发表在《超快科学》杂志上，并作为封面故事。

压缩超快摄影（CUP）发明于2014年，是一种强大的单镜头超快光学成像技术，它将压缩感知（CS）与条纹成像创新地协同起来。CUP可以以每秒数百万亿帧的速率记录瞬态事件。CUP的工作原理包括数据采集和随后的图像重建。在数据采集过程中，来自动态场景的光通过压缩感知方法记录在二维测量图像中，压缩感知方法包括空间编码、时间剪切和时空整合。随后，CUP可以通过算法处理记录的图像，重建瞬时动态场景的视频。尽管具有捕获瞬态事件的强大能力，但现有的基于cup的系统通常体积庞大且容易出现光学失调，阻碍了它们在研究和商业场景中的应用。

由加拿大魁北克大学国家科学研究所（INRS）的Jinyang Liang教授和Luca Razzari教授领导的研究小组通过理论研究验证了基于超透镜的单镜头实时超快成像系统的可行性。这种新提出的成像范式被称为压缩超紧凑飞秒摄影（CUF）。该技术集成了一个超色散超透镜，这是一种创新的光学元件，将传统光学的聚焦和色散功能结合到一个超紧凑的设备中。与传统的超透镜不同，传统的超透镜针对宽可见光谱进行了优化，但光谱分辨率相对较低，而CUF系统是为主动照明的CUPs设计的，提供了一种紧凑的替代方案，而不会影响性能。

研究小组设计了一种传输二进制编码模式，以实现均匀的像素强度分布，从而增强了系统的动态范围。为了确保最佳的透光性，超构透镜采用偏振不敏感的圆柱形元原子设计，提供完整的2π相位覆盖，透光率约为90%。CUF使用这种超透镜和编码模式在一张压缩的记录照片中捕获时间和空间信息。最后利用基于神经网络的算法重构动态事件。作者使用三种不同像素尺寸的传感器配置模拟和测试了CUF系统的性能，展示了其强大的功能。“我们设想CUF是实时监测二维瞬态光物质相互作用的强大工具。我们对CUF超快成像能力的演示包括模拟切伦科夫波在非线性晶体中的传播，以及在负分辨率目标上传播时向前倾斜的瞬时啁啾脉冲，”Miguel Marquez解释说，他是这项工作的第一作者之一。

总结与展望：本研究为从基础物理研究到先进飞秒摄影应用的各种科学和工业应用中实现CUF铺平了道路。“我们对CUF的潜力感到兴奋，因为它可以减少单镜头超快成像设备的尺寸和复杂性。我们相信它将提高测量的稳定性和准确性，使超快成像比以往任何时候都更容易获得，并适用于更多的场景。”文章的共同通讯作者梁金阳说。通过将其与各种成像模式（如显微镜和望远镜）以及各种CCD/sCMOS相机相结合，CUF有望提供具有可扩展空间分辨率的多功能平台。