單次超快光學(xué)成像是一種可以記錄不可重復(fù)或難以產(chǎn)生的瞬態(tài)事件的技術(shù)，其對(duì)揭示物理、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的基本機(jī)制具有重要意義。目前，世界上成像速度最快的單次超快光學(xué)成像技術(shù)是壓縮超快攝影術(shù)（Compressed ultrafast photography, CUP），足以成像皮秒級(jí)的超快事件。這一技術(shù)融合了壓縮感知（Compressed sensing）和條紋成像術(shù)（Streak imaging），實(shí)時(shí)接收并編碼壓縮所有的時(shí)間與空間信息到一張圖像中，之后使用重建算法將記錄的瞬態(tài)事件還原為視頻。

       目前，在數(shù)據(jù)采集方面，CUP僅可用于記錄發(fā)生在可見光與近紅外波段的事件，對(duì)于許多超短時(shí)間與超小空間尺度的現(xiàn)象，CUP需要在紫外線（UV）甚至是X射線（X-ray）波段的探測能力。同時(shí)，大多數(shù)已有CUP系統(tǒng)使用以Littrow結(jié)構(gòu)放置的數(shù)字微鏡器件（Digital micromirror device, DMD）對(duì)瞬態(tài)事件進(jìn)行空間編碼，這一設(shè)計(jì)提供了良好的編碼適應(yīng)性，卻限制了CUP的視場與成像速度，也使得整個(gè)系統(tǒng)比較笨重而無法應(yīng)用于空間大小受限的情景。在視頻重建方面，CUP目前主流的重建算法（Two-step iterative shrinkage/thresholding, TwIST）會(huì)引入階梯偽影，這限制了系統(tǒng)的時(shí)間與空間分辨率，并且在一定程度上加重了CUP在二維正交方向上的空間分辨率差異。

為了解決上述問題，近日，加拿大魁北克大學(xué)國家科學(xué)研究院（INRS）梁晉陽教授課題組與美國波士頓大學(xué)、加拿大Axis Photonique Inc.公司以及法國SOLEIL同步輻射加速器中心合作開發(fā)了第一臺(tái)紫外光波段壓縮超快成像（UV-CUP）系統(tǒng)。通過將一塊圖案化的鈀材料光電陰極（感光波段為220 μm–270 μm）集成到條紋相機(jī)中，UV-CUP不僅首次實(shí)現(xiàn)了在UV波段的單次超快光學(xué)成像，還擺脫了DMD對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和成像速度與視場的限制。獨(dú)立而緊湊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使UV-CUP可被輕松地集成到各種各樣地實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中。除了在硬件方面的改進(jìn)，一種基于“即插即用-交替方向乘子法（Plug-and-play alternating direction method of multipliers, PnP-ADMM）”的重建算法也被開發(fā)并應(yīng)用到UV-CUP中；這一算法通過將整個(gè)重建過程分解成幾個(gè)子級(jí)最小化問題并與先進(jìn)的降噪算法結(jié)合，不僅實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)算法更高的時(shí)空分辨率，更抑制了CUP的空間分辨率差異，而獲得了更加優(yōu)良的重建像質(zhì)。

       軟硬件方面的改進(jìn)使得UV-CUP擁有了卓越的成像性能，其成像速度高達(dá)每秒0.5萬億幀，是目前世界上最快的UV波段單次攝影相機(jī)；其單次成像可獲得1500幀、每幀1750×500像素的視頻，是已有CUP系統(tǒng)中的最高值?；诖?，UV-CUP將在超快激光科學(xué)、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。

       這一工作近期以“Single-shot Ultraviolet Compressed Ultrafast Photography”為題發(fā)表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202000122)，并被選為該雜志2020年第10期的封面。論文第一作者為加拿大魁北克大學(xué)國家科學(xué)研究院碩士生賴英明，通訊作者為梁晉陽教授。該項(xiàng)研究得到了加拿大自然科學(xué)與工程研究理事會(huì)、加拿大創(chuàng)新基金會(huì)、魁北克研究基金會(huì)自然科學(xué)與工程學(xué)部、魁北克研究基金會(huì)醫(yī)學(xué)部以及美國國家科學(xué)基金會(huì)的支持。