白皮书
天博综合app官网登录 功能强大的技术图像单个超快事件，令人难以置信的1万亿帧/秒
概述
依次定时全光映射摄影（天博综合app官网登录）使用A连贯的astrel天博综合app官网登录在〜100 fs到几个ns的时间尺度上捕获视频爆发。这样可以研究Terahertz波产生和传播（〜100 FS时尺），天博综合app官网登录消融中的血浆动力学（〜1 ps）以及水中的冲击波（〜1 ns）。。
需要高速成像方法的需求
可视化极高现象的传统方法是泵探针方法。在此技术中，使用天博综合app官网登录脉冲来激发研究的样本，然后在特定的短延迟后抓住快照图像。然后，通过依次将此延迟的数量在一系列拍摄中逐步增加来构建视频。但是，尽管这是一种有用且功能强大的技术，但它仅适用于对重复的事件进行成像，它们始终如一，均匀地重复，因为每次样本都可以拍摄一个快照。
教授。纳川（Keiichi Nakagawa）（东京大学）负责一群追求多样化的研究项目的小组，这些项目都涉及声波和光与材料，尤其是活组织的相互作用。几年前，他们意识到他们需要一种方法来生成一个超快的视频流，该视频流是单个（不重复）高度动态事件的超快视频流，例如声波前的传播。他们开发了以满足这种需求的天博综合app官网登录[1]。
几年前，他们意识到他们需要一种方法来产生单个（非重复）高度动态事件的超快视频流，例如声波前的传播。他们开发了天博综合app官网登录以满足这种需求。
它如何工作？
天博综合app官网登录的基本原理在图1中概述。天博综合app官网登录利用了宽光谱带宽和充足的脉冲能量，从相干的salterella titanium：Sapphire sphire feagtsecond放大器。首先，飞秒脉冲会拉伸和/或通过chi刺分开，以便使用交错延迟时间来照亮样品的不同波长组件。中川称此部分为“时间映射”。
通过样本后，每个子脉冲都通过波长分开，然后直接插入（CCD或CMOS）相机阵列的特定区域。因此，每个区域成为一个单独的视频框架。这样，天博综合app官网登录脉冲和检测的作用有点像快速的频闪照明和成像装置。
图1：邮票将天博综合app官网登录脉冲分为不同波长的子脉冲（因此是时间延迟）。照明目标后，将子脉冲分开并记录在摄像机阵列上[1]。。
扩展天博综合app官网登录性能
自从最初开发该技术以来，Nakagawa Group继续创新天博综合app官网登录，以通过三种方式扩展其功能。扩展的一种途径是为脉冲的时间映射创造巧妙的技术。最初，它们依靠玻璃棒或纤维中经历的自然色散来实现时间映射。但这将视频时间尺度限制为Picsecond事件或更快。
为了测量纳秒时间尺度上的事件，天博综合app官网登录最近开发了一种称为“频谱电路”的光学设备。在这种方法中，光脉冲在空间上被搅动然后被困，然后绕着四个镜子创建的路径骑自行车 - 见图2。逃逸前的光的圈数取决于波长。因此，每个圈子都以比以前更长的波长释放一个子脉冲。这会在纳秒时间尺度上产生一系列子脉冲。
他们也一直在忙于天博综合app官网登录的空间映射部分进行创新。例如，他们发明了一个巧妙的多面镜，他们称为“切片镜子”。这使他们可以在两个摄像机中的每个摄像机上的每个摄像机上为3x3模式成像18帧的视频爆发，全部以高空间像素分辨率为单位。
此外，Nakagawa集团开发了多色天博综合app官网登录，这是超快单光成像的全新概念。在一个称为两色天博综合app官网登录的一个版本中，它们在A的第二个谐波中产生脉冲连贯的Altrel天博综合app官网登录 Titanium：Sapphire飞秒放大器并将这些400 nm子脉冲与基本的800 nm子脉冲一起执行其技术。该方案使天博综合app官网登录能够获取超快现象的“彩色图像”，从而实现了前所未有的快速频谱成像。
图2：安排了光谱电路，因此圈数及其延迟的数量取决于天博综合app官网登录波长[2]。
天博综合app官网登录成像的某些过程
Nakagawa Group使用天博综合app官网登录来检查像工业材料处理和生命科学一样多样化的过程。
Terahertz（THZ）波是电磁波，在材料科学，生物技术和医学，电子设备和环境等领域中具有广泛的潜在应用。Ultrashort Pulse（USP）天博综合app官网登录广泛用于生成强烈的超舒斯thz波。由于这种现象发生在超时时间尺度上，因此以前仅通过基于时间分辨的泵探针方法进行重复成像观察到它。
使用天博综合app官网登录，Nakagawa的组是有史以来第一个通过将Ultrashort Pulses引导到铁电晶体中并观察相关的超快动力学来捕获THZ波生成时刻的瞬间。
图3显示了用4.4 TFPS获得的Thz波的产生和传播。最初，晶状体振动是随机激发的，但逐渐变得平移以产生单波包。波在晶体中以光速约六分之一的晶体传播。顺序框架表明，在Terahertz制度中，波长本质上是电磁的。
图3：邮票图像的序列可视化Terahertz（THz）波辐射时，当单个USP天博综合app官网登录脉冲激发了铁电晶体中的晶格振动[1]。
用USP天博综合app官网登录脉冲消融
Ultrashort Pulse 天博综合app官网登录sers带有picsecond和飞秒输出越来越多地用于精确微加工。应用程序包括钻孔，涂鸦和标记从医疗设备到智能手机组件的产品。主要原因是USP加工的精度高于脉冲天博综合app官网登录器更长的精度。另外，它几乎没有外围加热，因此也没有更干净的特征。
虽然这些优点已被广泛记录，但没有人真正确定它们出现的实际细节。 Nakagawa Group现在使用邮票将独特的数据带入了这场辩论。他们已经对玻璃目标上的单个35 FS天博综合app官网登录脉冲的烧蚀作用进行了成像。
对于此应用程序，他们配置了其两色邮票设置，有效帧速率> 1 tfps。图4包括此工作中的几个图像帧。从原始的两色框架中，已经获得了电子密度图。该数据使团队能够绘制由烧蚀天博综合app官网登录脉冲弹出的等离子体羽流的大小，形状，速度和电子密度分布。
图4：单个USP天博综合app官网登录脉冲消融玻璃时，一系列邮票图像可视化弹出的等离子体羽流[3]。
水中的冲击波传播
在较慢的时间尺度上，该组使用光电路和分支方法来形象由聚焦在水中的天博综合app官网登录脉冲产生的冲击波。中川解释说，超声和天博综合app官网登录功率与活组织的相互作用对于了解医学治疗，成像和生命科学研究非常重要。 （水是活组织中的主要成分。）
如图5所示，它们已映射了冲击波前的传播。图像的灰度对比表示冲击强度。 Nakagawa组现在通过观察天博综合app官网登录捕获的这些动态事件来解决与生物细胞的冲击相互作用的阐明。
图5：通过单个天博综合app官网登录脉冲激发的冲击波锋的戳记图像[4]。
为什么相干的streslel天博综合app官网登录？
中川教授引用了该的几个优势astrel天博综合app官网登录，这是他的天博综合app官网登录综合app官网登录研究的完美匹配。 He notes, “In terms of performance, Astrella provides a high-quality output beam which is important as the beam quality directly impacts the image quality. The large spectral bandwidth of Astrella simplifies the task of generating multiple sub-pulses and it also means we can compress the pulses down to ~35 fs when needed. The high (7 mJ) pulse energy is another critical advantage because we temporally and spatially modulate the output as STAMP pulses (with optical loss), and also使用部分脉冲能量来产生两个颜色天博综合app官网登录综合app官网登录的SHG脉冲。
中川教授还提到了几个实用的优势，包括Assrella是一种单盒天博综合app官网登录综合app官网登录器，非常无提。这种操作简单性至关重要，因为天博综合app官网登录综合app官网登录只是更复杂的仪器中的一个组件。他指出：“交钥匙的操作意味着不需要使用邮票成为天博综合app官网登录综合app官网登录专家以充分利用这一技术。这只是他们可以通过简单的用户界面来控制的光源，以使其完全需要的输出获得所需的输出。我们已经发现Altrella非常稳定，不需要服务或不需要服务或不需要进行服务或不需要进行的重新磨损和上升。”。
他总结说：“是的，我们真的很喜欢这种天博综合app官网登录。”
“ Assrella提供了一个高质量的输出光束，这很重要，因为光束质量直接影响图像质量。散落的大光谱带宽简化了产生多个子天博综合app官网登录的任务，这也意味着我们可以在需要时压缩到〜35 fs。
- 东京大学助理教授Keiichi Nakagawa摘要
Nakagawa Lab开发了这种独特的方法，即获得极高的高速视频来支持天博综合app官网登录的研究。但是现在，由于天博综合app官网登录的持续创新和运营的简单性Assrel天博综合app官网登录，它也成为一种灵活且易于使用的技术。这使其广泛适用于其他对各种跨越纳秒的快速动态事件进行科学成像的其他快速动态事件的方法。
参考
[1] K. Nakagawa等人，“依次定时全光映射摄影（天博综合app官网登录）。” Nature Photonics 8，695–700（2014）。
[2] T. Saiki等人，“用于在自由空间中生产光谱分离的纳秒天博综合app官网登录列的光谱电路。”克莱奥2020，在线，2020年5月。
[3] K. Shimada等人，“具有两色天博综合app官网登录的超快等离子体动力学的电子密度成像。” Alps2021，在线，2021年4月。
[4] T. Saiki等人，“纳秒单摄像成像系统，具有picsecond曝光时间，以监视电池对细胞的冲击波效应。” 2021年3月，在线日本的冲击波研讨会。