韋芊屹 倪潔蕾 李靈 張聿全 袁小聰 閔長俊

(深圳大學微納光電子學研究院,射頻異質異構集成全國重點實驗室,納米光子學研究中心,深圳 518060)

高分辨顯微成像技術為人們推開了探索微觀世界的大門,而飛秒激光技術又為人們提供了一把探測超快物理/化學現(xiàn)象的尺子.將這兩者結合,發(fā)展既有超高空間分辨、又有超快時間分辨的新型顯微成像技術,對于人們探索極小時空尺度下新的科學現(xiàn)象和規(guī)律有非常重要的意義.本文綜述了目前國際上主要超高時空分辨顯微成像技術的基本原理和特點,并介紹了其在光電材料與器件表征、飛秒激光微加工監(jiān)測、表面等離激元動力學表征等方面的最新應用進展.超高時空分辨顯微成像技術的發(fā)展,不僅推動了光學顯微成像領域的進步,也為精密加工、二維材料動力學、光電器件設計與表征等領域提供了關鍵技術手段,具有廣闊的應用前景.

1 引言

21 世紀以來,納米技術、芯片科技、新材料、生物醫(yī)藥等新興領域的迅猛發(fā)展,為人類社會進步起到了重要推動作用.為了在這些領域形成技術突破,亟需深入了解和揭示其物理、化學現(xiàn)象背后的微觀超快變化過程和機理,因此具有超高空間、時間分辨能力的顯微成像技術成為了當今科學界的一個重要研究方向.

在空間分辨方面,光學顯微鏡的發(fā)明讓人類能以近乎無損的方式觀測微觀世界,為生物、醫(yī)學、物理、化學、材料等領域的發(fā)展打開了一片嶄新的天地,已成為當今人類觀察生命過程、物質結構的關鍵手段.然而受制于衍射極限[1],傳統(tǒng)遠場光學顯微鏡的空間分辨率僅能達到半個波長量級.因此,近些年來,許多能夠突破衍射極限、實現(xiàn)超分辨的遠場光學顯微成像技術成為最受關注的光學研究前沿之一.多種新穎的遠場超分辨光學顯微成像技術被陸續(xù)提出,例如: 受激發(fā)射損耗顯微成像技術(stimulated emission depletion,STED)[2]、隨機光學重建顯微成像技術(stochastic optical reconstruction microscopy,STORM)[3]、光激活定位顯微成像技術(photo-activated localization microscopy,PALM)[4]、結構光照明顯微成像技術(structure illumination microscopy,SIM)[5]、超分辨光學漲落顯微成像(super-resolution Optical Fluctuation Imaging,SOFI)[6]、基于最小光子數(shù)的納米尺度定位技術(MINFLUX)[7]等.2014 年諾貝爾化學獎就頒給了“超分辨熒光顯微成像技術”的三位發(fā)明人,以表彰他們在超分辨顯微成像領域的杰出貢獻,標志了科學界對該領域的廣泛關注與認可.此外,有別于遠場光學顯微技術,近場光學顯微技術通過納米尺度探針來探測物體表面近場范圍內(nèi)的倏逝場信息[8],例如近場掃描光學顯微鏡(nearfield scanning optical microscopy,NSOM)[9]等,也可以突破衍射極限,得到遠小于入射光波長的精細結構信息.除了光學方式外,借助電子波長較短的特性,電子顯微鏡同樣也是提高顯微鏡成像分辨率的重要手段,例如掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)[10]、透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)[11]、掃描透射電子顯微鏡(scanning transmission electron microscope,STEM)[12]等.

在時間分辨方面,自1960 年Maiman 發(fā)明了世界上第一臺激光器以來,激光技術快速發(fā)展,激光脈寬也逐漸被壓縮至飛秒甚至阿秒量級.其中啁啾脈沖放大技術因為在高能量超短脈沖產(chǎn)生中的重要作用[13],入選了2018 年諾貝爾物理學獎.超快激光的應用涉及很多科學技術的前沿,包括微納米尺度三維微結構制備[14,15],超快X 射線衍射[16,17],飛秒激光太赫茲波技術[18,19],飛秒激光成絲[20,21],阿秒脈沖的產(chǎn)生與測量[22-24],超快非線性光學[25,26],高次諧波產(chǎn)生[27,28],飛秒光鑷操控[29,30]等.由于飛秒激光具有超短的脈沖持續(xù)時間,可以用來探測物理、化學體系中的超快現(xiàn)象,并將這些現(xiàn)象隨時間的動態(tài)演化過程表征出來[31-35].例如諾貝爾化學獎得主、加州理工大學Zewail 研究組[32]成功地將飛秒時間分辨探測技術應用于化學分子反應的超快過程研究,為研究分子結構動力學[33]、光合作用超快過程[34]、分子受激拉曼散射[35]等發(fā)生在飛秒尺度的超快過程提供了有效的技術手段.

近些年來,原子與分子尺度科學已成為國際重要研究前沿.這一層面的幾乎所有運動與變化在空間上是納米尺度,在時間上是超快過程.揭示其微觀過程和機理并進行有效調控,將為推動科技、產(chǎn)業(yè)與經(jīng)濟發(fā)展奠定基礎.因此,光學顯微成像技術的發(fā)展呈現(xiàn)出“更小更快”的趨勢,即不但要能對更小空間尺寸的樣品成像,還要具有更快的時間分辨率.為了應對這一重要挑戰(zhàn),近年來人們將具有空間高分辨的顯微成像技術與飛秒激光超快時間分辨探測技術相結合,發(fā)展出多種具有超高時空分辨能力的顯微成像技術[26,67,86],對于探索極小時空尺度下新的科學現(xiàn)象和規(guī)律、推動相關光電材料/器件與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有非常重要的意義.

本文綜述了國內(nèi)外超高時空分辨顯微成像技術的研究進展.為了系統(tǒng)性地介紹這些研究工作,我們將相關技術從空間、時間這兩個維度進行了劃分和歸類: 在空間維度上,劃分為依賴納米尺寸探針在樣品表面近場區(qū)域探測的近場成像、以及遠離樣品表面進行探測的遠場成像;在時間維度上,劃分為需要重復脈沖測量的多脈沖成像、以及單脈沖成像.本文第 2 節(jié)為相關技術原理及特性介紹,包括: 2.1 節(jié)介紹了基于納米探針的近場多脈沖時空顯微成像技術,2.2 節(jié)介紹了遠場多脈沖時空顯微成像技術,2.3 節(jié)介紹了遠場單脈沖時空顯微成像技術.第3 節(jié)介紹了高時空分辨顯微成像技術在光電材料/器件中的載流子轉移、飛秒激光微加工監(jiān)測、表面等離激元動力學表征等領域的應用研究進展.最后,第4 節(jié)總結了各技術的指標及優(yōu)缺點,并對未來發(fā)展趨勢進行了展望.

2 超高時空顯微成像技術與原理

2.1 近場多脈沖時空顯微成像

現(xiàn)在較為成熟的近場顯微成像技術包括NSOM[9]、原子力顯微鏡(atomic force microscopy,AFM)[40]、掃描隧穿顯微鏡(scanning tunneling microscope,STM)[43]等,這些技術都依賴納米尺度探針在物體表面近場范圍內(nèi)的掃描測量,因此具有超越衍射極限的空間分辨率.人們將這些近場成像技術與飛秒泵浦-探測技術相結合,發(fā)展出了多種同時具有空間超分辨以及飛秒時間分辨的顯微成像技術[37,42,46].需要注意的是,由于近場成像一般要求探針逐點掃描,而每個點都需要至少一次脈沖來激發(fā)信號,所以需要許多個脈沖重復測量才能完成最終成像.這就要求所探測的現(xiàn)象具有可重復性,不適合對隨機的、可能產(chǎn)生破壞的過程進行成像,因此其應用范圍會受到一定限制.

2.1.1 基于NSOM 的時空顯微成像

近場掃描光學顯微鏡(NSOM)利用探針-樣品距離控制技術[9],將亞波長尺度的探針針尖,進入到樣品表面的近場區(qū)域,將表面的非輻射倏逝場轉變?yōu)榭蓚鞑サ妮椛鋱?再由遠場的探測器接收,從而獲得包含在倏逝場中的超分辨信息,最終通過探針在近場的逐點掃描獲得空間超分辨的樣品二維圖像.

2007 年,北京大學龔旗煌、張家森團隊[36]在國內(nèi)率先將近場掃描光學顯微鏡與飛秒泵浦-探測技術相結合,成功建立了飛秒時間分辨近場光學顯微成像系統(tǒng),如圖1(a)所示.由于NSOM 本身信號較弱,結合飛秒時間分辨技術后信噪比會進一步降低.為此,他們通過高頻聲光調制器對泵浦光和探測光進行調制,并利用差頻鎖相探測提高信噪比,獲得了80 nm 的空間分辨和小于200 fs 的時間分辨率,并利用該系統(tǒng)展現(xiàn)了金納米顆粒不同位置下熱電子弛豫動力學的差異.

圖1 (a) 飛秒近場掃描顯微成像系統(tǒng)示意圖以及延遲時間0,500 fs 和2 ps 時的近場泵浦-探測信號[36];(b) 利用tr-NSOM 對WSe2進行的時間分辨納米尺度探測實驗[37]Fig.1.(a) Schematic representation of the femtosecond near-field scanning microscopy imaging system and the near-field pumpprobe signal at the time delay of 0,500 fs and 2 ps[36];(b) time resolved infrared nano-imaging experiments on WSe2 by using tr-NSOM[37].

國際上,利用飛秒泵浦-探測技術與NSOM 結合而發(fā)展的超快時間分辨掃描近場光學顯微鏡(time-resolved near-field scanning optical microscopy,tr-NSOM)近年來也得到廣泛關注和發(fā)展[37-39],已成為研究納米材料近場光學現(xiàn)象的重要手段.2020 年,美國哥倫比亞大學 Sternbach 等[37]利用tr-NSOM 研究了WSe2納米片中飛秒脈沖引起的復雜光誘導變化,如圖1(b)所示.實驗中使用的NSOM 針尖可以實現(xiàn)20 nm 的空間分辨率,圖中展示了穩(wěn)態(tài)以及功率為2.5 mW 的泵浦進行激發(fā)后Δt=1 ps 時刻下的近場圖像,并在亞皮秒時間尺度上記錄了WSe2相干動力學,以及在10 ps 的時間尺度上記錄了非相干激子漂白現(xiàn)象.

2.1.2 基于AFM 的時空顯微成像

在對樣品的表面形貌進行超分辨成像時,經(jīng)常用到原子力顯微鏡(AFM)[40].AFM 依賴于懸臂梁的共振力學運動,能夠探測針尖與樣品表面的力的變化,實現(xiàn)在納米尺度下材料形貌的高分辨率成像.

由于AFM 獲得的主要是形貌信息,需要進一步研究尖端-樣品間相互作用,如探測光引起的化學、物理或光譜特征的變化,才能間接獲得納米材料的近場光學性質.光誘導力顯微鏡(photo-induced force microscopy,PiFM)便是一種將AFM 和光誘導力探測結合的新型近場光學顯微鏡.在PiFM 中,鍍有金屬膜的AFM 針尖尖端與樣品經(jīng)光誘導發(fā)生極化,針尖偶極子與樣品中的偶極子相互作用產(chǎn)生光誘導力.由于產(chǎn)生的光誘導力包括梯度力和散射力,而其中梯度力對分子極化率敏感,因此PiFM 可以通過探測光誘導力變化來檢測樣品的光誘導分子極化率,從而最終得到樣品的光場分布.其信號的產(chǎn)生和測量都是在近場中進行的,可以達到小于10 nm 的空間分辨率,實現(xiàn)超分辨測量[41].

將PiFM 的高空間分辨與飛秒泵浦-探測技術相結合,是獲得超高時空分辨成像的方法之一.其空間分辨率由PiFM 的空間分辨率決定,時間分辨率由飛秒泵浦-探測脈沖到達樣品上的脈沖寬度決定.2015 年,美國加州大學Jahng 等[42]提出了基于PiFM 的超快泵浦-探測光誘導力顯微鏡(timeresolved photo-induced force microscopy,tr-PiFM).他們將泵浦和探測光束分別進行振幅調制,使得分子與泵浦光和探測光的連續(xù)相互作用對光誘導力產(chǎn)生調制,再將懸臂機械運動調諧至與光誘導力運動相匹配,即可獲得光誘導力產(chǎn)生的圖像,成像系統(tǒng)如圖2(a)所示.他們利用tr-PiFM 研究了SiNc 材料的激發(fā)態(tài)動力學,記錄了不同時間延遲下單個分子簇的圖像,如圖2(b)—(e)所示.圖2(f)比較了tr-PiFM 探測的力學信號和遠場下的泵浦-探測時間分辨信號,可以清楚地看到,力學信號和光學檢測信號顯示出相同的動力學特性,證明tr-PiFM 所測量到的動力學過程具有可靠性.這項工作證明了以光誘導力方式探測納米材料的超快非線性光學響應的可行性,實現(xiàn)了小于10 nm的空間分辨率和飛秒量級的時間分辨率.

圖2 (a) tr-PiFM 系統(tǒng)示意圖[42];在兩個不同時間延遲(—5.9 和0.7 ps)下AFM 所記錄的(b),(c)形貌圖和(d),(e)光誘導力圖像[42];(f)比較遠場檢測到的泵浦-探測信號(橙色實線)和光誘導力信號(黑色圓點)[42]Fig.2.(a) Schematic of the tr-PiFM system[42];topography image (b),(c) and optical force image (d),(e) are simultaneously recorded at negative time delay 5.9 ps (or positive time delay 0.7 ps) [42];(f) comparison between the far-field detected pump-probe signal (orange solid line) and the tr-PiFM signal (black circle dot)[42].

表面等離激元(surface plasmon polariton,SPP)是一種新型的光學表面波,其具有波長遠小于入射波長的特點,因此用于成像時可以輕松地突破衍射極限.利用飛秒激光結合SPP 用于近場光學掃描成像一直是研究人員的重要研究目標之一.2016 年,美國科羅拉多大學Kravtsov 等[26]利用刻蝕有亞波長光柵的金納米針尖耦合飛秒激光脈沖的方法,在AFM 針尖尖端處產(chǎn)生了非線性四波混頻效應與飛秒SPP 納米聚焦現(xiàn)象,并利用其實現(xiàn)了粗糙金膜上不同熱點處飛秒SPP 相干動力學過程的超快成像,如圖3 所示.他們將飛秒激光脈沖(800 nm,10 fs)聚焦到刻蝕有亞波長光柵結構的金探針側面,光柵激發(fā)的SPP 脈沖沿探針傳播并會聚到針尖位置,在針尖形成高度局域化的增強光場,產(chǎn)生非線性四波混頻(four-wave mixing,FWM)效應,最后將三階非線性光學信號散射到遠場進行探測,成像系統(tǒng)示意圖如圖3(a)所示.他們將針尖增強四波混頻成像與飛秒泵浦探測技術相結合,對粗糙金膜進行成像,同時獲得AFM 圖像和針尖增強四波混頻成像(圖3(b),(c)所示),分別探測了延遲時間為0,8.2,16.4 fs 下金膜表面不同位置處SPP 熱點的瞬態(tài)動力學信息(圖3(d)所示),最終實現(xiàn)了50 nm 的成像空間分辨率和10 fs 的時間分辨率.該工作為超快近場顯微鏡和光譜學研究提供了高靈敏度的納米探針設計方案,在超快和多維全光近場光譜成像方面有重大應用價值.

圖3 (a) 超快FMW 成像系統(tǒng)示意圖,經(jīng)過脈沖整形系統(tǒng)后的飛秒脈沖通過刻蝕在金針尖上的光柵激發(fā)SPP 并聚焦到針尖的頂點[26];(b) 硅-金膜表面SPP 熱點S1,S2,S3 位置對應的FWM 掃描圖像[26];(c) 每個熱點對應的AFM 形貌圖像[26];(d) 金膜中SPP熱點動力學的飛秒FWM 納米成像,對應熱點在不同延遲時間下的相對強度變化[26]Fig.3.(a) Schematic of the ultrafast FMW imaging experiment,the femtosecond pulse after the pulse shaping system excited the SPP through a grating etched on the gold tip and focused to the vertex of the tip[26];(b) near-field FWM image of a Si-Au step,showing SPP “hotspots” S1,S2 and S3[26];(c) simultaneously acquired AFM topography[26];(d) FWM nanoimages of the SPP “hotspots” dynamics of a Si-Au surface,corresponding to different inter-pulse delay,demonstrating evolution of the relative intensities in spots S1,S2 and S3[26].

2.1.3 基于STM 的時空顯微成像

STM 是一種可以達到原子級別空間分辨率的近場掃描成像技術[43].其基本原理是將一根針尖放置在離樣品很近(＜1 nm),但是不接觸的距離,并在樣品上施加偏壓,則可以在針尖-樣品上測量到一個很微弱的電流,稱為隧穿電流或隧道電流,此電流反映了表面電子態(tài)的信息.STM 具有極高的空間分辨率,其橫向分辨率可達1 ?[43].2020 年,中國科學技術大學羅毅教授團隊[44]利用尖端增強的STM,以8 ?的空間分辨率展示了單個酞菁分子與納米腔等離激元耦合的光致發(fā)光成像.

STM 雖然具有良好的空間分辨能力,但受限于前置放大器的帶寬,其時間分辨能力非常有限.通過與超快光學技術相結合,可以使STM 突破前置放大器帶寬的限制,實現(xiàn)原子/分子尺度分辨率的超快時空成像.

2004 年,Takeuchi 等[45]設計了一套精密的STM 時空分辨顯微系統(tǒng).2010 年,Terada 等[46]基于該方案獲得了首個超快時間分辨的STM 結果,其原理如圖4(a)所示,將光分成具有一定光程差的兩束光入射,此時所激發(fā)表面的隧穿電流可以表示為光程差的函數(shù).對這兩束光的光程差施加一個周期性調制,則所產(chǎn)生的的隧穿電流也會受到相應周期的頻率調制,若用鎖相放大器對該周期信號進行放大,就能反映出所產(chǎn)生的電流與相差之間的關系,該關系直接反映了表面電子態(tài)超快過程的時間壽命.同時,由于兩束光的光程差所對應延遲時間遠大于激光脈寬,即使加了調制,照射在針尖上的總光強也是不變的,此時針尖的熱膨脹會趨于一個恒定值,不會影響隧穿電流的測量[45].此外,Terada等[46]對Takeuchi 等[45]方案中的周期調制方法進行了一些改進,將機械式的脈沖選擇改為通過一脈沖選擇器實現(xiàn),可以通過改變加載在其上的電壓,再通過偏振片選擇,來精準控制脈沖的通斷,從而將重復頻率90 MHz 的脈沖光篩成重復頻率為1 MHz 的脈沖光.他們基于這個系統(tǒng)對GaAs 結構表面的Co 納米粒子的空穴產(chǎn)生和復合進行了實空間直接分析,通過超短激光脈沖激發(fā)出非平衡載流子分布,并結合泵浦-探測技術通過STM 觀察其弛豫過程,實現(xiàn)了納米量級的空間分辨率以及皮秒量級的時間分辨率,所得到的結果如圖4(b)—(e)所示.從圖4(b)—(e)可以看出,該系統(tǒng)觀察到了納秒范圍內(nèi)超快弛豫過程.

圖4 (a) Terada 等[46]所提出的時間分辨STM 工作原理圖;(b) 實空間上GaAs 樣品表面Co 納米顆粒的STM 形貌圖[46];(c) 圖(b)中不同位置的空穴捕獲率測量結果[46];(d) 圖(b)與圖(c)的圖象疊加[46];(e) 空穴捕獲率與Co 納米顆粒尺寸的依賴關系[46]Fig.4.(a) Schematic of the time-resolved STM proposed by Yasuhiko Terada[46];(b) STM topography of Co nanoparticles on the surface of GaAs samples in real space[46];(c) hole capture rate measurements at different locations in Fig.(b) [46];(d) superposition of Fig.(b) and Fig.(c) [46];(e) size dependence of hole capture rate[46].

2.2 遠場多脈沖時空顯微成像

與近場顯微成像相比,遠場成像只能收集物體衍射出的信息,因此空間分辨率受到衍射極限的影響,但其具有非侵入性、非接觸、寬視場、可實時成像等優(yōu)點,因此在許多領域都有廣泛的應用.

為了提升光學遠場成像的空間分辨率,研究人員提出了許多方法.例如為了進一步增大數(shù)值孔徑(numerical aperture,NA)而發(fā)明的水浸、油浸、固浸物鏡[47,48],這種方法雖然實現(xiàn)了分辨率的提升,但并沒有突破衍射極限.能夠突破衍射極限的遠場顯微成像技術也取得了許多突破,除了先前提到的STED,STORM,PALM,SIM 以外,還包括微球透鏡[49]、超透鏡[50]等以收集倏逝波[51-53]為基礎的超分辨成像技術.將其與飛秒泵浦-探測技術相結合,可以在遠場成像的情況下,獲得超越衍射極限的空間分辨率以及飛秒量級的時間分辨率.

2.2.1 基于高NA物鏡的時空顯微成像

提升光學顯微鏡空間分辨率的一個重要手段,就是依據(jù)衍射極限規(guī)律,使用更大數(shù)值孔徑的物鏡.2012 年,Domke 等[54]將飛秒泵浦-探測與光學顯微鏡相結合,通過兩種不同的時間延遲技術得到了超長時間范圍的飛秒激光脈沖刻蝕薄鉬膜的完整過程圖像,延遲時間可以覆蓋從飛秒到微秒量級.在飛秒到納秒的延遲時間內(nèi),泵浦-探測之間的光程差使用光學延遲線進行調控,獲得了小于840 fs的時間分辨率;而在納秒到微秒的時間內(nèi),使用皮秒脈沖進行探測,并用電子延遲來獲得納秒級別的時間分辨率.系統(tǒng)的空間分辨率由所使用光學顯微鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定,所使用物鏡的NA=0.29,獲得了1.22 μm 的空間分辨率.

2017 年,華東師范大學賈天卿團隊[55]將飛秒泵浦-探測技術與高NA的光學顯微鏡(100×,NA=0.9)結合,觀測了飛秒激光誘導金膜表面亞波長周期性條紋結構(laser-induced period surface structures,LIPSS)的形成過程,并用表面等離激元的熱效應解釋了LIPSS 結構生長過程中的一系列現(xiàn)象,實現(xiàn)了300 nm 的空間分辨率和1 ps 的時間分辨率.實驗原理如圖5(a)所示,一束泵浦脈沖用于誘導金膜表面產(chǎn)生周期性結構,另一束探測脈沖則聚焦到厚10 mm 的水室中,在非線性效應的影響下產(chǎn)生400—1000 nm 的白光脈沖,用短通濾波器過濾出波長400—550 nm 的部分,這決定了實驗的時間分辨率為1 ps 左右.探測脈沖通過延遲線調控與泵浦脈沖之間的光程差,來獲取泵浦脈沖到達樣品后不同時刻的表面圖像.CCD 所收集到的圖像如圖5(b)所示,展示了泵浦脈沖入射后20—3000 ps 時間范圍內(nèi)金膜表面的瞬態(tài)LIPSS 的產(chǎn)生過程.

圖5 (a) 飛秒泵浦-探測顯微鏡實驗裝置示意圖[55];(b) 在20—3000 ps 之間一系列延遲時間點內(nèi),單個泵浦脈沖輻照樣品表面的光學顯微照片[55]Fig.5.(a) Schematic of femtosecond pump-probe microscopy setup[55];(b) optical micrographs of sample surface irradiated by the single pump pulse observed at the delay time of 20—3000 ps[55].

2.2.2 基于多幀結構光照明的時空顯微成像

結構光照明顯微成像 (SIM)[5]是一種遠場超分辨顯微成像技術,其實現(xiàn)超分辨的原理可以通過圖像的空間頻譜來解釋.在一般光學顯微鏡中,顯微鏡的空間分辨率取決于它能采集到信號的最大空間頻率,當樣品的高頻信息高于顯微鏡的衍射極限時,這部分信息就無法通過.如圖6(a)所示,兩個高頻條紋疊加時會因為莫爾效應產(chǎn)生低頻條紋,基于同樣的原理,如果采用高空間頻率的結構光場(例如光學干涉條紋)來照明樣品,就可以將樣品超衍射極限的高頻信息移至光學成像系統(tǒng)可探測的低頻區(qū)域,從而得到樣品的高頻信息.此外,為了復原樣品的真實頻譜分布,需要將探測得到的各頻譜分量分離,再將其分別還原至原有位置,最后通過計算處理得到超分辨的樣品圖像[56].一般常見的圖像還原做法是在條紋結構光照明時引入至少三步相移,再分別拍攝三個不同方向,合計拍攝9 張原始圖像,才能重構出1 張超分辨圖像.

圖6 (a) 莫爾現(xiàn)象及SIM 實現(xiàn)超分辨原理[56];(b) 基于DMD 的結構光照明泵浦-探測成像系統(tǒng)光路圖;(c) 左側分別為硅納米線樣品的SEM 圖像、SPPM 成像、傳統(tǒng)光學顯微成像,右側為SPPM 成像與傳統(tǒng)光學顯微成像分辨率對比、SPPM 泵浦-探測獲得樣品不同位置的載流子弛豫過程[59]Fig.6.(a) Moire phenomenon and the SIM principle of super-resolution[56];(b) schematic of DMD-based structured pump—probe microscope[59];(c) the left side: SEM image,SPPM image,and image by conventional optical microscopy of silicon nanowire samples respectively;the right side: the carrier relaxation process at different positions of SPPM imaging and conventional optical microscopy imaging resolution and SPPM pump-probe[59].

如果不借助非線性效應[57],SIM 技術的空間分辨率最多能在衍射極限基礎上提高1 倍[56],但是其不需要逐點掃描樣品,可大范圍成像,具有快速、超分辨、寬場成像的顯著優(yōu)點.目前,借助于高速空間光調制器(spatial light modulator,SLM)、數(shù)字微鏡器件(digital micro-mirror device,DMD)等設備最高上萬幀/秒的切換速度,SIM 技術的時間分辨已經(jīng)可以達到毫秒至亞毫秒量級[58].若將SIM 技術與飛秒泵浦-探測技術相結合,理論上可以獲得具有飛秒時間分辨、空間超分辨、寬場成像特性的顯微成像技術.

2016 年Massaro 等[59]首次將飛秒泵浦-探測技術與SIM 相結合,提出了一種結構光泵浦-探測顯微鏡(structured pump-probe microscopy,SPPM),用于硅納米線的載流子動力學研究,如圖6(b)所示.實驗中使用中心波長為800 nm 的泵浦光,用于激發(fā)硅納米線的載流子運動.倍頻之后的400 nm光作為探測光,并用DMD 編碼產(chǎn)生結構光條紋圖案.探測脈沖在空間上與泵浦場相匹配,并對硅納米線樣品進行空間掃描,來獲得特定時間延遲下的探測圖像.他們使用具有不同初相位的三張圖像進行重建,使得結構光泵浦-探測顯微成像的空間分辨率達到114 nm,約為1/4 波長,突破了衍射極限.圖6(c)展示了延遲時間Δt=0 ps 時傳統(tǒng)光學顯微成像以及SPPM 成像結果對比,以及SPPM所獲得的納米線不同位置0—200 ps 時間范圍內(nèi)載流子弛豫過程結果.

2.2.3 基于單幀傅里葉變換輪廓術的時空顯微成像

2022 年,深圳大學袁小聰、閔長俊團隊[60]將飛秒泵浦-探測技術和基于單幀結構光條紋的傅里葉變換輪廓術(Fourier transform profilometry,FTP)相結合,提出并實現(xiàn)了一種單脈沖結構光探測、無需多步相移的寬場時空顯微鏡(single-probe structured light microscopy,SPSLM).與上述SIM技術不同的是,SIM 需要在原始圖像采集時引入三步相移,至少需要三個方向上的9 張原始圖像,才能重建出一張超分辨圖像,不適用于不可逆的超快過程成像.SPSLM 在成像時利用傅里葉變換輪廓術(FTP)算法,只需要一張結構光照明的原始圖像即可重建出樣品表面的三維高度信息.FTP 是一種只需要單幀圖像的三維成像技術[61,62],雖然還受衍射極限影響,不能像SIM 那樣實現(xiàn)超分辨,但無需多步相移,方法簡便,已廣泛應用于工業(yè)檢測、機器視覺等宏觀應用[63,64].基于幾何光學的三角剖分方法[65],被測樣品的高度被認為與FTP 計算的相位線性相關,通過三角法解出樣品的相位信息,再通過相位-高度關系最終可以重建樣品的三維表面形貌[62].

利用SPSLM 系統(tǒng)可以對飛秒激光燒蝕過程進行探測,系統(tǒng)光路如圖7(a)所示.其中飛秒激光器中心波長為800 nm 部分作為泵浦光,通過BBO晶體倍頻之后的400 nm 脈沖作為探測光.SPSLM最大的特點是結構光離軸照明,這為FTP 的三角測量方法創(chuàng)造了條件.如圖7(a)所示,探測光束經(jīng)過DMD 后,產(chǎn)生多個衍射級數(shù).通過位于4f-系統(tǒng)(L3 和L4)共焦平面上的光孔,選出+1 級和0 級光干涉,產(chǎn)生具有結構光條紋的探測脈沖.圖7(b)展示了用該系統(tǒng)拍攝的單脈沖燒蝕硅表面從0 到2.5 ps 的形貌演變.其中第一行是原始探測圖像,第二行是通過FTP 算法重建的表面高度圖.SPSLM 技術實現(xiàn)了478 nm 的空間橫向分辨率和22 nm 的縱向分辨率,以及256 fs 的時間分辨率.雖然SPSLM 技術無法達到和SIM 一樣的超衍射極限分辨,但是具有三維成像、不需要多步相移的優(yōu)點,提高了成像速度,適用于激光加工過程中材料表面形貌超快變化的表征與研究.

圖7 (a) SPSLM 系統(tǒng)示意圖及光路圖,其中紅色和紫色分別代表泵浦光和探測光[60];(b)單個泵浦光脈沖燒蝕硅表面從0 到2.5 ps 采集到的原始圖像及重建得到的表面形貌演化圖[60]Fig.7.(a) Schematic of the SPSLM,where color red and color violet indicate pump light and probe light respectively[60];(b) raw images and the reconstructed surface evolution height maps collected from 0 to 2.5 ps[60].

2.2.4 基于PINEM 的時空顯微成像

因為電子波長比光要短很多,電子顯微鏡天然的就比光學顯微鏡有更高的空間分辨率.電子顯微鏡與超快激光結合,同樣也是實現(xiàn)高時空分辨率成像的重要手段.超快透射電子顯微鏡(ultrafast transmission electron microscopy,UTEM)是 一種將超快泵浦-探測技術與透射電子顯微鏡(TEM)相結合而發(fā)展出來的技術[66],這項技術提供了可視化原子量級物體瞬態(tài)的能力,能夠研究更快的動力學過程,已成為表征物理、化學、材料科學和生物學中動態(tài)過程的有力工具.其原理是通過一束飛秒泵浦光激發(fā)樣品,另一束飛秒探測光進入電子槍激發(fā)探測電子脈沖,然后電子脈沖再入射到樣品,對樣品進行電子顯微鏡的成像.控制泵浦光脈沖、探測電子脈沖兩者到達樣品的時間差,就能獲得樣品被泵浦光激發(fā)后不同時刻的超快動力學成像.電子脈沖具有和飛秒激發(fā)光相當?shù)拿}寬,因此系統(tǒng)的時間分辨率主要由飛秒激光器的脈寬決定.

由UTEM 發(fā)展而來的光誘導近場電子顯微鏡(photon-induced near-field electron microscopy,PINEM)可以以高時空分辨率直接觀察表面等離激元近場結構,能夠實現(xiàn)飛秒量級的時間分辨率和原子量級的空間分辨率.PINEM 名稱中的近場(near-field)主要是指獲取的是近場信息,其探測方式仍然是利用電子顯微鏡遠離樣品表面進行探測,所以成像方式仍然是遠場的.2009 年,PINEM 由加州理工大學Ahmed H.Zewail 教授團隊[67]首次提出,并實現(xiàn)了光誘導碳納米管倏逝場的超快演化成像,如圖8(a)所示.在納米碳納米管上,近場的脈沖光電子通過吸收或發(fā)射單個或多個散射光子來進行調制.通過對這些調制后的脈沖電子進行能量濾波,可以直接在空間中成像近場電場分布,再通過調節(jié)泵浦-探測脈沖的延遲時間,獲得飛秒時間尺度上的電場動力學過程.

近年來,國內(nèi)科研團隊在PINEM 領域也有不少研究成果.2021 年,中國科學院物理研究所李建奇教授團隊[68]利用PINEM 實現(xiàn)了飛秒脈沖激發(fā)銀納米線表面等離激元的近場時間分辨成像,并分析了不同偏振激發(fā)下的等離激元近場分布,如圖8(b)所示.他們使用波長515 nm 的飛秒脈沖作為泵浦脈沖激發(fā)樣品的表面等離激元振蕩,再使用波長257 nm 的飛秒脈沖驅動鎢絲發(fā)射超快脈沖光電子作為探測脈沖,并通過調節(jié)兩者的延遲時間,得到時間分辨電子能量損失譜(electron energy loss spectroscopy,EELS)圖像.2022 年,南開大學付學文教授團隊[69]利用PINEM 觀測到了銀膜上飛秒激光誘導的表面等離激元分布及動力學過程,實驗原理及觀測到的超快動力學結果如圖8(c)所示.實驗使用波長為515 nm 飛秒激光誘導銀膜表面等離激元,通過只選擇吸收光子能量的電子進行能量過濾成像,直接觀測到了表面等離激元的空間分布,并通過改變?nèi)肷浼す獾钠穹较蜓芯苛薖INEM強度的偏振依賴性.研究發(fā)現(xiàn)與納米線、納米棒等結構的偏振依賴性不同,激光偏振方向的改變不會影響銀膜上的PINEM 強度.

2.2.5 基于PEEM 的時空顯微成像

光發(fā)射電子顯微鏡(photoemission electron microscopy,PEEM)是一種基于光電效應的顯微鏡.其通過入射光子激發(fā)材料表面電子,將攜帶表面信息的電子通過電磁透鏡系統(tǒng),收集并聚焦到二維電子成像探測器的焦平面上來成像,具有光子激發(fā)-電子探測的工作方式,PEEM 的空間分辨率可以達到5.4 nm[70],縮短了與掃描電子顯微鏡分辨率之間的距離.隨著超快科學的發(fā)展和技術進步,時間分辨光發(fā)射電子顯微鏡(time-resolved photoemission electron microscopy,tr-PEEM)將飛秒激光的超高時間分辨和PEEM 的超高空間分辨結合,從而同時具有超高時間和空間分辨能力,在研究微納尺度表面和界面超快動力學過程方面有獨特優(yōu)勢.其時間分辨率由超快激光系統(tǒng)決定,空間分辨率由tr-PEEM 的電子顯微系統(tǒng)決定.tr-PEEM 的空間分辨率受到電子光學固有的色差和球面像差的限制,在相差校正系統(tǒng)中可以達到10 nm[71].需要說明的是,tr-PEEM 技術與上文提到的PINEM技術都利用電子顯微鏡進行成像,兩者區(qū)別在于:PINEM 是飛秒探測光先進入電子槍激發(fā)出電子脈沖,電子脈沖再入射到樣品進行探測;而tr-PEEM是飛秒探測光直接入射到樣品,激發(fā)出樣品的光電子進行探測.

tr-PEEM 按照泵浦光和探測光的波長是否相同,可以分為干涉泵浦-探測技術和雙色泵浦-探測技術[72,73],如圖9(a)所示[74].干涉泵浦-探測技術中的泵浦光和探測光為完全相同的兩個脈沖,可通過馬赫-曾德干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,MZI)產(chǎn)生,并通過調節(jié)MZI 其中一路的延遲線,改變泵浦-探測時間延遲.激光光源一般為20 fs或10 fs 以下的超短脈沖,并采用高精度的壓電平移臺作為延遲線.干涉泵浦-探測技術常用于研究表面等離激元(SPP)等的超快動力學過程.雙色泵浦-探測技術一般采用中心波長不同的兩個脈沖,如: 中心波長800 nm 的基頻光和其三倍頻光分別作為泵浦光和探測光.雙色泵浦-探測常用于研究材料激發(fā)態(tài)載流子的弛豫動力學過程,并根據(jù)所研究材料的能帶結構和關注的物理過程,選擇合適的泵浦-探測光波長組合.

圖9 (a) tr-PEEM 兩種泵浦-探測光路類型[74];(b) Ag 光柵上的四個局部SPP 的ITR-PEEM 結果.泵浦和探測脈沖之間的延遲時間(τd) 從—0.33 fs 增加到40.69 fs,步長為0.33 fs[78];(c)通過tr-PEEM 拍攝了在光激發(fā)后,InSe/GaAs 異質結構中的電子隨時間的積累(紅色)和耗盡(藍色)等轉移過程[79]Fig.9.(a) Two pump-probe schematic of tr-PEEM[74];(b) ITR-PEEM of the four localized plasmons on the silver grating framed.The delay time between the pump and probe pulses (τd) is advanced from —0.33 to 40.69 fs with an increment step of 0.33 fs[78];(c) electron transport over time in the InSe/GaAs heterostructure showing the initial accumulation (red) and eventual recombination (blue) after photoexcitation[79].

2005 年,美國匹斯堡大學Kubo 等[78]首次將干涉時間分辨雙光子光發(fā)射(interferometric twophoton time-resolved photoemission,ITR-2PP)技術[75]與PEEM 技術[76,77]相結合,對銀光柵上飛秒激光脈沖(400 nm,10 fs)激發(fā)SPP 的超快過程進行了研究,獲取了具有深亞波長空間分辨率(50 nm)和亞飛秒時間精度(0.33 fs)的SPP 脈沖激發(fā)及傳播過程探測,如圖9(b)所示.這為納米結構/器件中超快SPP 的動態(tài)過程研究提供了新方法.

近年來,基于超快PEEM 的成像技術發(fā)展迅速.2017 年,沖繩理工大學Man 等[79]通過將飛秒泵浦-探測技術與光譜光電子顯微鏡相結合,對II型二維InSe/GaAs 材料異質結構中光激發(fā)電子從高能到低能態(tài)的運動進行了成像,如圖9(c)所示.在光激發(fā)瞬間,能量分辨光電子圖像顯示出光載流子在空間和能量上的高度非平衡分布.之后,在非平衡光載流子的作用下,電荷的空間再分布,從而形成內(nèi)部電場,彎曲半導體帶,最終阻礙進一步的電荷轉移.通過將不同延時拍攝的圖像組合在一起,得到了100 ps 內(nèi)的運動過程,揭示了光激發(fā)II 型異質結構中的電子轉移過程.

2.2.6 基于泄露模輻射的時空顯微成像

泄露模輻射顯微鏡(leakage radiation microscopy,LRM)是一種對界面上傳播的表面等離激元(SPP)等倏逝波進行成像的遠場光學顯微成像方法.SPP 在金屬薄膜表面?zhèn)鞑サ倪^程中,會有一部分能量泄露進襯底之中,通過檢測其泄露模式可以定量成像和分析SPP 在金屬薄膜上的傳播,國際上已經(jīng)有大量利用LRM 對SPP 成像的研究報道[80-82].若將LRM 與飛秒激光技術相結合,就能以飛秒量級時間分辨率成像SPP 脈沖波包運動,研究SPP 波包的特性,例如群速度和相速度等.

2016 年,法國Ebbesen 團隊[83]利用結合飛秒激光空間外差干涉方法的LRM,實現(xiàn)了金屬膜表面單個SPP 波包傳播的時間分辨觀測,并通過干涉信息計算出SPP 傳播的群速度和相速度.所使用的方案如圖10(a)所示,在馬赫-曾德干涉儀中插入一個LRM,在該干涉儀的輸入端,單束飛秒激光脈沖分為參考脈沖與SPP 激發(fā)脈沖兩束.其中一束用于從上方激發(fā)金膜表面的SPP 信號,再通過高NA油浸物鏡(圖10(a)中O2)收集SPP的泄露輻射信號.然后,該泄露模脈沖與來自干涉儀另一支臂的參考脈沖相結合,當兩個脈沖在時間和空間上重疊時,可以在CMOS 相機中觀察到干涉圖像,兩個脈沖間的時間延遲可以通過光學延遲線進行控制.結果如圖10(b)所示,展示了延遲時間為190 fs 下干涉輸出的圖像及其強度的橫切曲線.

圖10 (a) 通過飛秒LRM 成像SPP 波包運動的實現(xiàn)系統(tǒng)光路圖[83];(b) 延遲時間為190 fs 時CMOS 相機采集到的干涉圖像[83];(c) 不同時刻下(200,230,260 fs)實驗中獲得的泄露模干涉圖與理論值(綠色虛線)的比較,用于表征SPP 波包運動[83]Fig.10.(a) Implementation of femtosecond LRM imaging SPP wave packet[83];(b) LRM image recorded on the CMOS camera at the output of the interferometer for a time delay of 190 fs[83];(c) SPP wave packet motion of experimental time-resolved interferograms obtained by LRM cross-cut images for the different time delays of 200,230 and 260 fs,compared with the theoretical values(green dashed line)[83].

實驗中所測量得到不同時刻下的泄露模干涉圖像如圖10(c)所示,表征了200,230 和260 fs 三個時刻下的SPP 波包傳播情況,并與理論模擬曲線(綠色虛線)吻合較好.實驗所測量的SPP 波包群速度為2.901×108m·s—1,相速度為(2.94±0.01)×108m·s—1.該技術可用于定量分析SPP 在平面薄膜上的傳播,可同時實現(xiàn)10 fs 量級的時間分辨率、以及接近衍射極限的空間分辨率.

2.3 遠場單脈沖時空顯微成像

雖然基于飛秒激光的泵浦-探測技術可以提供飛秒尺度的高時間分辨率,但泵浦-探測技術需要設置泵浦光、探測光之間不同時間延遲,重復激發(fā)樣品的動態(tài)變化過程,并將重復結果近似視為相同過程的不同瞬間.然而,實際情況下,考慮到樣品材料成分的不均勻性、表面形貌的不均勻性、以及激光能量的不穩(wěn)定性,無法保證每一次重復激發(fā)都完全相同,因此泵浦-探測技術存在其固有的局限性,即不適合對隨機的、難以重復的過程進行探測.

為了克服泵浦-探測技術在動態(tài)測量中的不足,研究人員開發(fā)了多種基于單次脈沖的時空顯微成像技術.單脈沖成像技術利用單個超快脈沖就能捕捉到不同時刻的動態(tài)過程,實現(xiàn)實時成像,克服了泵浦-探測技術不適用于隨機、非重復過程的缺點.需要說明的是,單脈沖時空成像一般基于遠場成像技術,因為不少遠場成像技術可以直接輸出二維、寬場的圖像.而近場成像一般要求探針逐點掃描,每個點至少需要一次脈沖來激發(fā)信號,所以不具有單脈沖成像的能力.以下著重介紹幾種代表性的遠場單脈沖時空顯微成像技術.

2.3.1 壓縮超快成像

壓縮超快成像技術(compressed ultrafast photography,CUP)是2014 年由加州理工大學汪立宏院士團隊[84]首先提出,之后引起了全球相關領域科學家的關注.作為一種計算成像方法,CUP 包括正向數(shù)據(jù)采集過程和反向數(shù)據(jù)重構過程.CUP技術的數(shù)據(jù)采集過程主要包括編碼、偏轉及時空壓縮三個過程.首先三維動態(tài)場景經(jīng)過編碼器進行隨機二進制模式編碼,然后編碼后的信息進入到偏轉器進行時間偏移,即不同時刻的信息會偏轉到不同的位置,最后進行時空積分的疊加壓縮,可以得到一個包含時空三維信息的二維平面數(shù)據(jù),最后通過壓縮感知算法對其進行解碼,即可得還原出原始的時空信息.相比于其他單次超快成像技術,CUP 的一大優(yōu)勢是不需要專用主動照明[85],因此CUP 可以成像各種發(fā)光物體,例如熒光或生物發(fā)光體.

2018 年,汪立宏團隊[86]在CUP 原型的基礎上,進一步提出了單脈沖每秒10 萬億幀的壓縮超快成像系統(tǒng)(T-CUP),并在單攝像機曝光中以100 fs/幀間隔實現(xiàn)了單個超短激光脈沖在動態(tài)散射介質中聚焦過程的實時、超快、被動成像,實驗光路圖如圖11(a)所示.首先高速運動的物體所成的像通過分束器分成兩束,其中一束進入外部CCD,由外部CCD 直接記錄整個曝光時間內(nèi)物體隨時間演化的時間積分;另一束光聚焦到DMD 上,由DMD 進行編碼,然后進入到飛秒條紋相機中,實驗所用的條紋相機最高時間分辨率為200 fs.為了記錄二維圖像信息,將條紋相機的入口狹縫完全打開,光信號在光電陰極激發(fā)出的電子經(jīng)過電壓后在空間方向上偏轉,并由檢測器記錄.最終借助重建算法,可以獲得幀速率高達10 Tf/s 的動態(tài)場景的延時視頻,時間分辨率達到了100 fs.

圖11 (a) T-CUP 系統(tǒng)示意圖.其中黑色虛線框為條紋相機中的條紋管的詳細圖示[86];(b)使用T-CUP 系統(tǒng)得到的飛秒脈沖時間聚焦的時空演化[86]Fig.11.(a) Schematic of the T-CUP system,where the black dashed box is a detailed representation of the striped tube in the striped camera[86];(b) spatiotemporal evolution of the femtosecond pulse time-focus obtained using the T-CUP system[86].

在聚焦過程中,超短激光脈沖的寬度和強度發(fā)生劇烈變化,因此需要飛秒級曝光來捕捉這種精細現(xiàn)象中產(chǎn)生的瞬時光場.他們利用該系統(tǒng)研究了脈寬為50 fs 的飛秒脈沖的時空聚焦過程,揭示了脈沖在聚焦傳播時強度、形狀和寬度的完整演變,結果如圖11(b)所示.同時,他們提出,如果將系統(tǒng)中(10×,NA=0.12)的聚焦物鏡替換為20×的高數(shù)值孔徑物鏡,該系統(tǒng)可以提供100 fs 的時間分辨率,1 μm 的空間分辨率,以及150 μm 的大視場.

2.3.2 光柵原理全光成像

采用光柵原理的超快攝影具有幀速高和幀數(shù)充足的優(yōu)點,然而,由于機械運動機制、時空電荷效應、電子束掃描設備中固有的電子抖動等限制,現(xiàn)有的超快光柵分幅相機無法在原子運動的時間尺度上工作.2021 年,深圳大學李景鎮(zhèn)、徐世祥團隊[87]將采樣理論和光譜時間編碼技術相結合,提出并演示了一種新的基于光柵原理的全光成像技術(alloptical photography with raster principle,OPR),該技術可以繞過這些限制,在原子時間尺度上實現(xiàn)實時捕捉超快現(xiàn)象的成像.同時,與壓縮感知算法相比,OPR 具有更直接、更快速的重建算法和更高的穩(wěn)定性.

OPR 分為兩個步驟: 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)重建,其中數(shù)據(jù)采集可以由光柵分幅相機(raster framing camera,RFC)完成,基于RFC 進行采樣的原理如圖12(a)所示.從圖12(a)可以看到,可以將瞬態(tài)場景看作時間離散化的幀序列,并用線性啁啾脈沖照明.通過物鏡將被照明的物體成像到微透鏡陣列上,即可形成中繼圖像.中繼圖像經(jīng)過微透鏡陣列,微透鏡陣列的每一個小透鏡都對物鏡的入瞳成像,形成光柵圖像,該光柵圖像即為采樣后的物體圖像.光柵圖像經(jīng)過一個4f系統(tǒng),其中頻譜面上放置衍射光柵,由于照明光為連續(xù)啁啾脈沖,就能在像面上形成光譜空間分離的光柵圖像,它是時間編碼的單波長光柵圖像的累積,其中不同波長的圖像位于檢測平面的不同位置.

圖12 (a) 利用光柵分幅相機(RFC)進行采樣的OPR 原理圖[87];(b) 利用OPR 單次激發(fā)超快成像系統(tǒng)采集到的空氣中等離子體運動過程圖像[87]Fig.12.(a) Schematic of OPR using the raster framing camera (RFC) [87];(b) images of plasma motion processes in the air collected by the OPR single-shot ultrafast imaging system[87].

數(shù)據(jù)重建可以通過傅里葉變換實現(xiàn).通過系統(tǒng)校準,可以從時間編碼的光柵圖像中提取出每個單波長的光柵圖像,最后通過傅里葉變換,可以得到該波長下的物體圖像,由于啁啾脈沖波長和時間的映射關系,即可得到物體隨時間動態(tài)演化的圖像.同時,還可以通過光柵圖像在檢測平面上像素大小來計算幀之間的間隔時間,OPR 的理論時間分辨率可以達到10 Tf/s (即100 fs).

為了證明了OPR 的可靠性,他們使用OPR技術觀測了空氣和玻璃中等離子體的運動過程,并和泵浦-探測成像的結果進行對比.圖12(b)展示了OPR 單次成像的實驗結果,實現(xiàn)了從0—5.5 ps下等離子體運動過程的超快攝影,實現(xiàn)了90 lp/mm(11.1 μm)的空間分辨率,幀速率為2 Tf/s 的時間分辨率(500 fs).同時與泵浦-探測技術的成像結果對比,兩種模式的實驗結果基本一致,證明了OPR 技術捕捉時空三維瞬態(tài)場景的可靠性.

2.3.3 啁啾光譜映射超快成像

2021 年,華東師范大學張詩按團隊[88]提出了啁啾光譜映射超快成像技術(chirped spectral mapping ultrafast photography,CSMUP).與泵浦-探測技術不同,CSMUP 使用具有時間色散的單個啁啾寬帶激光脈沖作為探測光源來記錄超快動力學,高光譜相機作為檢測器件來同時獲取光譜和空間信息.基于啁啾激光脈沖的時間-光譜映射關系,可以根據(jù)光譜圖像恢復出不同時刻下的超快動力學成像結果.CSMUP 不需要依賴光譜信息的空間偏轉,而是直接使用高光譜相機對不同波段的光譜信號同時響應,來實現(xiàn)不同波長圖像的獲取.

高光譜相機基于具有高光譜法布里的標準CMOS 傳感器設計而成,在傳感器像素結構頂部添加法珀干涉濾波器,過濾出不同的光譜帶,從而能夠在多個不同的光譜范圍內(nèi)工作.實驗所使用的高光譜相機有25 個單獨的光譜帶,排列為5×5 陣列,因此它可以在一次曝光中捕獲25 個高光譜2D圖像.基于這25 個不同波段的光譜圖像,通過時間-光譜映射關系對應到不同的時間序列,從而實現(xiàn)單脈沖時間分辨測量.

CSMUP 系統(tǒng)如圖13(a)所示,鈦寶石激光放大器輸出激光分為兩條路徑,一條通過BBO 晶體產(chǎn)生400 nm 泵浦脈沖,另一條路徑聚焦到YAG晶體中,以產(chǎn)生具有從可見光到近紅外的寬光譜成分的超連續(xù)激光脈沖.使用長度為60 cm 的玻璃棒拉伸激光脈沖寬度并產(chǎn)生正啁啾超連續(xù)激光脈沖,持續(xù)時間為100 ps.400 nm 泵浦脈沖和啁啾探測脈沖通過二向色鏡組合,然后用物鏡聚焦在硅樣品表面.最后使用高光譜相機記錄動態(tài)圖像,該相機收集了659—949 nm 范圍內(nèi)不同波長的25 幅光譜圖像.CSMUP 的時間分辨率取決于啁啾激光脈沖的持續(xù)時間和高光譜相機一次能夠采集的光譜帶數(shù)量(該系統(tǒng)為25 個光譜帶),因此可計算出該系統(tǒng)的時間分辨率為4 ps.他們用光柵測量了該系統(tǒng)的空間分辨率,當使用50×物鏡進行觀察時,能夠分辨1200 pl/mm 的光柵,所以最終達到小于833 nm 的空間分辨率、以及4 ps 的時間分辨率.

圖13 (a) 用于飛秒激光燒蝕測量的CSMUP 系統(tǒng)[88];(b) CSMUP 在400 nm 飛秒激光照射下對硅燒蝕的單脈沖不同時刻動力學成像結果[88]Fig.13.(a) System configuration of CSMUP for the femtosecond laser ablation measurement [88];(b) single-shot laser ablation dynamics measurement of silicon under a 400 nm femtosecond laser exposure captured with CSMUP[88].

為了驗證該系統(tǒng)的時空成像能力,他們使用400 nm 飛秒激光脈沖在厚度為0.5 mm 的拋光硅晶片上燒蝕,并使用CSMUP 成像其超快動力學過程.所記錄的25 張不同時刻單脈沖燒蝕圖像如圖13(b)所示,可以看出,從8—26.6 ps 反射強度逐漸增加,歸因于載流子的晶格加熱-聲子散射所帶來的高反射率.38.4 ps 處之后中心區(qū)域變暗,是由于材料噴發(fā)引起的表面形貌變化和材料蒸發(fā)引起的光吸收/散射引起,說明燒蝕開始出現(xiàn).這些結果證明了此技術在激光加工監(jiān)測領域的應用前景.

2.3.4 時序全光映像攝影術

2014 年,日本東京大學Nakagawa 等[89]和Sakuma 教授課題組[90]提出了時序全光映像攝影術(sequentially timed all-optical mapping photography,STAMP).STAMP 是一種單次主動式照明超快成像技術,需要特定的照明光源.主動式照明超快成像技術一般是把照明光的空間、頻譜或者相位信息通過計算轉換為時間信息,用照明光的時間信息反演動態(tài)過程,其可實現(xiàn)的最高幀速率約為4.4 Tf/s,對應幀間隔約227 fs.

STAMP 的技術原理如圖14(a)所示,其系統(tǒng)由五部分組成: 超短脈沖激光器、時間映射裝置(temporal mapping device,TMD)、空間映射裝置(spatial mapping device,SMD)、圖像傳感器和計算機.首先,從光源發(fā)射的超短激光脈沖通過TMD后,產(chǎn)生多個不同中心波長的超短脈沖.TMD 由一個脈沖展寬器(如玻璃棒、棱鏡對或光纖)和一個脈沖整形器(如一個帶有空間光調制器的4f系統(tǒng))組成.該脈沖整形器將啁啾脈沖“裁剪”成脈寬、強度完全相同,但不同中心波長的多個子脈沖.子脈沖由運動的目標圖像編碼之后,通過空間映射裝置SMD 將其在空間上進行分離,并將不同脈沖指向圖像傳感器的不同位置.SMD 由衍射光柵、潛望鏡陣列和透鏡組成,可在圖像傳感器上形成子脈沖圖像而不變形,空間分離的子脈沖最終由圖像傳感器探測.最后對圖像傳感器上記錄的圖像進行數(shù)字處理和重新組合,根據(jù)時間-光譜以及光譜-探測器空間坐標之間的映射關系,就可以從攜帶時間信息的圖像幀中重建出超快的運動圖像.

圖14 (a) STAMP 技術原理示意圖[89];(b) 用STAMP 對晶格振動波進行時間分辨成像[89]Fig.14.(a) Schematic of STAMP[89];(b) time-resolved imaging of the lattice vibrational waves with STAMP[89].

STAMP 相機的幀速率和曝光時間可以通過調整TMD 中的時間色散來確定,以匹配不同過程的時間尺度,例如通過增加SMD 中潛望鏡陣列中潛望鏡的個數(shù),來增加圖像采集的幀速率.同時,STAMP 在宏觀、微觀兩種成像條件下都可以實現(xiàn)高像素分辨率成像: 在微觀成像條件下,成像像素為680×560,空間分辨率為微米量級;在宏觀成像條件下,成像像素為600×490,空間分辨率為10 μm量級.其時間分辨率為227 fs,由于采用了光譜圖像編碼的方法,將光譜分配給不同時刻的信息,這就導致了幀數(shù)與系統(tǒng)的時間分辨率之間是相互制約的.

STAMP 可用于在飛秒時間尺度上觀察晶體中的聲子動力學(圖14(b)).他們將脈沖能量40 μJ、脈寬70 fs 的激發(fā)脈沖聚焦到LiNbO3晶體中,通過脈沖受激拉曼散射產(chǎn)生聲子.圖中顯示了不同時刻的聲子動力學過程,包括激光脈沖的強電磁場激發(fā)晶體中的晶格振動,然后晶體形成聲子-極化子波包,并從激發(fā)區(qū)域傳播出去.

2.3.5 非共線光學參量放大成幀成像

2020 年,深圳大學李景鎮(zhèn)、徐世祥團隊[91]提出了一種基于光學參量放大(optical parametric amplification,OPA)的單次超快光學成像技術,稱為非共線光學參量放大的成幀成像(framing imaging based on noncollinear optical parametric amplification,FINCOPA)技術,首次將非共線光學參量放大用于單次光學時空成像中.

如圖15(a)所示是啁啾脈沖光照明、超短脈沖泵浦取樣的FINCOPA 超快實時多幅成像系統(tǒng)原理圖.在這個系統(tǒng)中,利用基于光柵原理的脈沖展寬器,可以將飛秒脈沖展寬成脈寬50 ps 的啁啾脈沖,利用啁啾脈沖信號光使不同時刻時變對象加載到不同波長上,再利用35 fs 的泵浦光調節(jié)不同時刻的延遲,使其在四個OPA 中對攜帶不同時刻信息的啁啾脈沖泵浦取樣,即獲得四幅時序的閑頻光圖像信息.在通過波長分離器之后,400 nm 脈沖被分束器組分成四個子脈沖,作為泵浦光分別進入四個光學參量放大器(NCOPA-1 至NCOPA-4).由于這里放大器的數(shù)量是4,因此可以一次拍攝得到四幀圖像,這主要受飛秒激光系統(tǒng)的輸出脈沖功率的限制.成像的時間分辨率取決于泵浦光的脈沖寬度以及各路泵浦光脈沖的相對時間延遲.

圖15 (a) FINCOPA 技術原理圖[91];(b) 用FINCOPA 對等離子體光柵運動進行時間分辨成像[91]Fig.15.(a) Schematic diagram and experimental setup of FINCOPA[91];(b) time-resolved imaging of the plasma grating motion performed with FINCOPA[91].

利用這個系統(tǒng),作者研究了空氣中等離子體光柵演化過程的單次成像,等離子體光柵的空間周期最小為10 μm,壽命為ps 量級.使用非共線等離子體干涉儀(noncollinear plasma interferometer,NCPI)通過兩個非共線800 nm 超短脈沖激發(fā)空氣等離子體光柵,光柵的周期可以通過兩個脈沖的干涉角來調整.如圖15(b)展示了從0—30 ps 下的16 張等離子體光柵運動圖像.從圖15(b)可以看出,隨著時間的推移,等離子體光柵從左到右的條紋逐漸可見.實驗時的光柵周期為12 μm,在實驗中實現(xiàn)了50 fs 時間分辨率、12 μm 空間分辨率的時空光學成像,有效幀速率為10 Tf/s.作者還使用FINCOPA可視化高速旋轉動態(tài)過程,實現(xiàn)了最高15 Tf/s 的幀速率.若使用20×物鏡進行成像,FINCOPA 可以實現(xiàn)300 pl/mm (約3 μm)的空間分辨率,意味著其時空分辨率還可進一步提升.

3 超高時空顯微成像的應用研究

超高時空顯微成像技術因其兼具高時間、高空間分辨率,被廣泛應用于分子結構動力學[33]、光合作用[34]、飛秒激光微加工[96,97]、光電材料/器件中的載流子轉移[107-109]、光子軌道角動量動力學[114]等各種微觀、超快過程的探測.下面將對近年來超高時空顯微成像的一些代表性應用研究進展進行介紹與分析.

3.1 超快激光加工過程檢測

超快激光加工具有高精度、高效率、低附帶損傷和廣泛適用性,是精密加工的有力工具.對超快激光加工的超快動力學進行成像,對于理解加工機理和建立相應的物理模型是非常重要的.1985 年,Downer 等[92]首次將飛秒泵浦-探測技術和光學顯微鏡相結合,實現(xiàn)了硅表面激光燒蝕過程的成像,所達到的時間分辨率為100 fs,能夠探測的時間過程為600 ps,但所能達到的空間分辨率只有5 μm.從此,對飛秒激光燒蝕過程機理的揭示成為超高時空分辨顯微鏡的重要應用之一,國際上已經(jīng)有很多研究成果揭示了不同材料上激光燒蝕、激光誘導表面周期性結構(LIPSS)的形成過程[93-95].

2017 年,中國科學院長春光學精密機械與物理研究所中美聯(lián)合實驗室郭春雷教授團隊[96]將泵浦探測技術與光學顯微鏡相結合,開發(fā)了一種基于零背景和高對比度散射光的光學時空成像技術.通過該技術,捕捉到飛秒激光誘導的金屬表面形態(tài)結構動力學從開始到結束的完整時空演變,即從初始瞬態(tài)表面波動到熔化和燒蝕,直到再溶解結束,如圖16(a)所示.他們在實驗中發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)表面結構首先出現(xiàn)在約100 ps 的延遲時間,這歸因于表面層中壓力松弛驅動的燒蝕.在有利于納米結構形成的較低激光燒蝕功率下,瞬態(tài)表面結構首先出現(xiàn)在燒蝕斑點的中心部分;而在有利于微米結構形成的較高激光燒蝕功率下,納米結構首先出現(xiàn)在外圍,隨后微米結構在中心區(qū)域出現(xiàn).

圖16 (a) 在1.0 J/cm2 能量密度的泵浦脈沖后,鋅表面在不同延遲時間的CCD 圖像[96];(b) 空氣和水中的皮秒激光誘導燒蝕動力學[97];(c) 泵浦功率為0.29 J/cm2 下,第二和第三個脈沖疊加后硅表面的超快形貌演變,并將最終結果與原子力顯微鏡(AFM)進行比較[60]Fig.16.(a) CCD images of the Zn surface impacted by pump pulse at different delay times with energy of 1.0 J/cm2[96];(b) picosecond laser-induced ablation in air and water[97];(c) ultrafast topography evolution on the Si surface impacted by 2nd and 3rd pulses with energy of 0.29 J/cm2,and final results compared with AFM[60].

2022 年,Spellauge 等[97]將泵浦-探測技術與光學顯微鏡相結合,分別探測了空氣和水環(huán)境中金膜的皮秒激光誘導燒蝕動力學,實驗所搭建的超快泵浦-探測顯微鏡系統(tǒng)具有630 nm 的橫向空間分辨率,以及500 fs 的時間分辨率.通過測量燒蝕結構的瞬態(tài)反射率,將水和空氣中的燒蝕過程進行對比,證明了水約束層在皮秒到微秒時間尺度上顯著影響著燒蝕動力學,如圖16(b)所示.水層有助于電子發(fā)射誘導的光學擊穿產(chǎn)生等離子體,將燒蝕羽流限制在數(shù)百ps 的時間尺度上,并促進約1 ns 后空化氣泡的產(chǎn)生.實驗結果完整地展示了從1 ps的早期階段到空化泡崩潰、納米顆粒被噴射的激光燒蝕機制,與已建立的理論預測非常一致.

2022 年,深圳大學袁小聰、閔長俊團隊[60]利用寬視場單探測結構光顯微鏡(SPSLM),成像了LIPSS 的表面三維形貌演變過程.LIPSS 是表面結構加工領域的研究熱點,其產(chǎn)生原理目前最為廣泛接受的理論模型為干涉模型,包括入射激光與表面散射波的干涉模型[98]以及表面等離激元(SPP)干涉模型[99,100].LIPSS 的條紋方向與激光的偏振有關,一般是垂直于偏振方向,少部分平行于偏振方向.根據(jù)表面波干涉模型,LIPSS 的周期與數(shù)由入射激光波長、材料折射率和激光入射角共同決定.作者利用三個能量相同的泵浦脈沖依次入射到硅晶片樣品表面誘導LIPSS 結構,LIPSS 的演化結果如圖16(c)所示.單個泵浦脈沖能量為0.29 J/cm2,重復頻率設置為10 Hz.由于泵浦光在樣品平面上是一個艾里光斑,光斑中心處的能量較高,而邊緣處的能量密度相對較低,因此光斑中心的地形變化比邊緣附近的地形變化更劇烈.在連續(xù)的第二和第三脈沖沖擊由第一脈沖誘導的結構后,LIPSS 現(xiàn)象開始出現(xiàn),其空間方向垂直于激光的偏振方向.由于光斑中心能量較高,因此LIPSS 從中心開始產(chǎn)生,逐漸擴散到光斑邊緣區(qū)域.研究超快脈沖作用過程中不同材料表面的形態(tài)響應和形貌演變,對于理解LIPSS 的潛在機制具有重要意義.

3.2 光電材料/器件的載流子動力學表征

近年來,許多具有優(yōu)良光電性質的新型低維材料的出現(xiàn),為新型光電材料和器件的研究與發(fā)展注入了新的活力.因此,對半導體器件及新型二維材料的中載流子動力學的研究至關重要,這將幫助人們更深入地了解其中的奧秘.超高時空分辨顯微成像技術兼具超快光學和表面載流子高分辨探測的優(yōu)點,是研究這些型光電材料與器件的強有力工具.

二維過渡金屬二鹵化物(TMDs)具有許多奇特的性質,例如在單層樣品中出現(xiàn)直接帶隙[101],以及谷極化[102],因此TMDs 在光信號收集[103]、高靈敏光電探測器[104]、場效應晶體管[105]、發(fā)光二極管[106]等領域中得到廣泛應用.全面了解二維過渡金屬二鹵化物(TMDs)中的超快電子動力學對于其在光電子器件中的應用是非常重要的.2018 年,新加坡的Loh 團隊[107]報道了使用飛秒時間分辨光發(fā)射電子顯微鏡(tr-PEEM)來成像化學氣相生長(chemical vapor deposition,CVD)的單層二硒化鎢(WSe2)的超快(亞皮秒到皮秒)載流子動力學過程,如圖17(a)所示.對tr-PEEM 數(shù)據(jù)的分析提供了單個WSe2薄片內(nèi)各種時間常數(shù)下的空間分布,如圖17(a)展示了WSe2薄三個不同位置點處信號強度隨延遲時間變化曲線,反映了不同位置下的電子弛豫.

除了二維材料,一維材料如納米線的熱電子弛豫和輸運動力學過程最近也被報道.2021 年,Wittenbecher 等[108]利用tr-PEEM 在飛秒時間尺度上成像了直徑100 nm 的InAs 納米線內(nèi)光生熱電子的弛豫過程,如圖17(b)所示.實驗系統(tǒng)的時間分辨率為30 fs.他們觀察到熱電子在100 fs 內(nèi)傳輸?shù)郊{米線表面,發(fā)現(xiàn)電子-空穴散射在前幾皮秒期間對熱電子冷卻有很大影響,而聲子散射在更長的時間尺度上更為顯著.實驗證明,根據(jù)激發(fā)光偏振,納米線的纖鋅礦和鋅鉛礦晶體段的冷卻時間尺度不同.通過實驗確定得到的熱電子傳輸機制,將會在納米器件的設計研發(fā)中發(fā)揮重要作用.

除了低維材料,電子動力學過程還可以在更小的空間尺度上被觀測到,即直接觀測分子中電子的弛豫過程,這對理解和控制化學反應具有關鍵作用.2022 年,Garg 等[109]報道了利用掃描隧穿顯微鏡結合阿秒激光技術,在埃尺度(10—10m)的空間分辨率以及亞飛秒尺度時間分辨率下,直接觀察到＜6 fs 的近紅外激光脈沖在分子中誘導的量子電子相干,如圖17(c)所示,實現(xiàn)了電子基態(tài)與表面態(tài)相互轉移的苝四羧酸二酐分子(PTCDA)的量子電子相干干涉的時空成像.

3.3 表面等離激元的超快動力學表征

SPP 是由金屬表面的自由電子隨入射光子同頻率集體振動,從而產(chǎn)生的一種在金屬表面近場范圍內(nèi)傳播的局域電磁波模式[110,111].因此SPP 既可以通過光子進行探測,也可以通過電子進行探測,對SPP 的超快動力學成像可以使用光學顯微鏡或電子顯微鏡進行.

2015 年,Nishiyama 等[112]利用飛秒近場光學顯微鏡在100 nm,10 fs 的時空分辨下,觀察了單個金納米棒中SPP 波包的產(chǎn)生和動力學.在用超短脈沖同時激發(fā)納米棒的兩個SPP 模式后,獲得了反映波包往復運動的時間分辨信號的衰減和恢復特征,如圖18(a)所示.瞬態(tài)近場圖像的空間特征隨時間變化,是由于兩種SPP 模式的空間特征在20 fs 的時間延遲交替出現(xiàn).作者理論分析了光脈沖激發(fā)SPP 波包傳輸?shù)倪\動過程,發(fā)現(xiàn)可以通過調整泵浦-探測脈沖之間的時間延遲來控制SPP 波包的空間特征,為未來實現(xiàn)對SPP 波包動力學的操縱提供了新方法.

圖18 (a) 金納米棒的瞬態(tài)近場圖像中沿著棒軸的線輪廓的時間變化[112];(b) LCP 和RCP 光反對稱模式和對稱模式的激發(fā)下的光電發(fā)射強度隨時間演變圖及0 fs 下的PEEM 掃描圖像[113];(c) tr-PEEM 觀測SPP 攜帶OAM 實驗示意及觀測結果,SPP 渦旋場在約2.67 fs 的單個光學周期內(nèi)演化狀態(tài)的快照序列圖[114];(d) ITR-PEEM 對從銀膜矩形溝槽發(fā)射的飛秒SPP 的時空演化成像[115];(e) 金納米鏈的拓撲邊態(tài)動力學過程[116]Fig.18.(a) Time variation of the line profiles along the rod axis in transient near-field images of nanorod[112];(b) PEEM-measured(solid lines) and theoretically fitted (dashed lines) photoemission intensity curves against the delay time between the two pulses for LCP and RCP light,corresponding to excitation of the antisymmetric mode and symmetric mode,respectively,as indicated by the PEEM images with a delay time of 0 fs in the insets[113];(c) schematic experimental methodology and experimental tr-PEEM snapshot sequence of the rotating field of a plasmonic vortex in the revolution stage within a single optical cycle of～2.67 fs[114];(d) spatial-temporal evolution imaging of the femtosecond SPP emitted from the rectangular grooves of the silver membranes by ITR-PEEM[115];(e) topological edge state dynamic processes of gold nanocarticles[116].

具有手性響應的SPP 手性微納結構,也是近年來SPP 的研究熱點之一.這些SPP 手性微納結構的手性響應特性,可以通過改變?nèi)肷涔獾姆较?偏振、手性結構的形狀/材質等方式實現(xiàn)調節(jié),但是其光學響應中的時空過程仍不清楚.2021 年,日本北海道大學Misawa 課題組[113]利用tr-PEEM在納米空間尺度和飛秒時間尺度下,觀測了兩個正交取向的金納米棒在斜入射的左旋圓偏振(lefthanded circular polarization,LCP)和右旋圓偏振(right-handed circular polarization,RCP)條件下,由反對稱和對稱模式SPP 激發(fā)引起的巨大手性光學響應,如圖18(b)所示.作者通過調控泵浦-探測脈沖之間的延遲時間,得到了金納米棒二聚體的超快光電發(fā)射強度的時間演變,顯示了LCP 和RCP光激勵的不同振蕩行為,圖18(b)顯示了延遲時間為0 fs 時的圖像.此項研究證明時空成像技術能夠在納米和飛秒的時空尺度下表征手性光學響應,為研究光學手性的時空動力學以及與SPP 模式相互作用提供了新途徑.

由于SPP 可以形成表面旋渦光場,具有攜帶軌道角動量(orbital angular momentum,OAM)的能力,而對SPP 所攜帶的OAM 進行探測和表征對于進一步理解微觀條件下OAM 生成、演化特性及其與原子、分子相互作用的動力學過程具有重要的意義.2017 年,Spektor 等[114]利用飛秒激光在螺旋線形納米金屬結構中激發(fā) SPP 旋渦場,并用tr-PEEM 在100 nm 的空間尺度和亞飛秒的時間尺度下,得到了SPP 渦旋的超快時間演化過程與群速度特性.金屬平面上的螺旋狀狹縫結構為所激發(fā)SPP 提供了螺旋相位,當選用圓偏振光激發(fā)SPP時,同時會發(fā)生自旋角動量到OAM 的轉化.因此,狹縫提供的螺旋相位與入射光子所攜帶的自旋角動量共同決定了最終所形成SPP 渦旋的OAM.作者采用泵浦-探測的方法,研究了SPP 渦旋場在約2.67 fs 的單個光學周期內(nèi)演化的超快動力學過程(圖18(c)),直觀表征了SPP 所攜帶的OAM 動力學特性.

2020 年,長春理工大學林景全團隊[115]利用飛秒激光干涉時間分辨光發(fā)射電子顯微鏡(ITRPEEM)對從銀膜溝槽激發(fā)的飛秒SPP 的時空演化進行了成像,并對比了有無400 nm 光輔助的兩種成像情況,如圖18(d)所示.研究發(fā)現(xiàn),在800 nm近紅外激光泵浦-探測ITR 方案中引入400 nm 光脈沖,可以利用ITR 方案的弱探測脈沖對飛秒SPP進行更清晰的時空成像,SPP 傳播的時空圖像的可見度得到了極大提高,有助于進一步分析飛秒SPP的傳播和時空演化特性,并有望將SPP 場的成像從可見光擴展到光通信波段.

2021 年北京大學龔旗煌團隊[116]利用tr-PEEM研究了具有SHH (Su-Schrieffer-Heeger)構型的金顆粒納米鏈的拓撲邊緣態(tài)動力學過程,并研究了其退相時間,如圖18(e)所示.通過對縱向極化激發(fā)下納米鏈長度依賴性的動態(tài)測量,發(fā)現(xiàn)局域等離激元拓撲邊界態(tài)退相干時間首先隨著納米鏈長度的增加而增加,然后達到飽和.對局域等離激元拓撲邊界態(tài)時域動力學過程及其演化圖像的測量,有助于深入理解拓撲邊界態(tài)的形成本質.該研究方式可擴展到其他拓撲結構或更高維度上去,這不僅為時域拓撲光子學的基礎理論研究鋪平了道路,也促進了新型高性能拓撲光子器件的實現(xiàn).

4 總結與展望

本文圍繞時間、空間這兩個維度,從技術原理與應用研究兩個方面展開,對近年來報道的多種代表性的超高時空分辨顯微成像技術做了介紹與分析.表1 匯總了本文介紹的相關時空成像技術指標及優(yōu)缺點.為了方便對比,還分別以時間、空間分辨率作為橫縱坐標軸,用圖表直觀地展示不同技術對應的時空分辨率,如圖19 所示.可以看出,近場多脈沖顯微成像技術可實現(xiàn)的時空分辨率最高,空間分辨率均在衍射極限以下;但其所依賴的探針掃描系統(tǒng)普遍存在系統(tǒng)復雜、設備昂貴、掃描時間長等問題,在樣品使用上也受到一定限制.遠場多脈沖顯微成像技術中,高NA系統(tǒng)、LRM 和SPSLM等技術的空間分辨率都受到光學衍射極限的限制,但也具有大視場、成像速度快、系統(tǒng)簡單等優(yōu)勢;SPPM 技術的空間分辨率可突破衍射極限,但需要多步相移和多幀圖像重構,對系統(tǒng)穩(wěn)定性、重構算法都有更高的要求;基于電子顯微鏡的PINEM、超快PEEM 技術具有納米、甚至亞納米尺度的空間分辨能力,但所依賴的電子顯微鏡系統(tǒng)復雜且只適用于特定材料樣品.遠場單脈沖顯微成像技術的空間分辨率普遍較低,均在幾百納米甚至微米量級,但其克服了傳統(tǒng)泵浦-探測技術需要重復測量的缺點,在對激光刻蝕等不可重復現(xiàn)象的成像上具有重要優(yōu)勢.

表1 超高時空分辨成像技術指標及優(yōu)缺點對比Table 1.Technical indexes,advantages and disadvantages of ultra-high spatiotemporal resolution imaging.

圖19 超高時空分辨顯微成像技術分辨率指標對比,包括近場多脈沖顯微成像技術(紅色框)、遠場多脈沖顯微成像技術(藍色框)以及遠場單脈沖顯微成像(黃色框)Fig.19.Resolution of the ultra-high spatiotemporal resolved imaging techniques,including the near-field multipulse spatiotemporal microscopic techniques (red box),the far-field multi-pulse spatiotemporal microscopic techniques(blue) and the far-field single-pulse spatiotemporal microscopic techniques (yellow box).

展望未來,超高時空分辨顯微成像技術正朝著“更小、更快、更智能、更廣泛”的趨勢快速發(fā)展.其中“更小”指空間域上: 需要克服飛秒脈沖色散引起的像差,在近場通過探針設計、遠場通過光場設計進一步提升脈沖光的空間分辨,并將更多的超分辨成像技術與飛秒結合起來.“更快”指時域上: 一方面要與阿秒相關技術結合,提升時間分辨率;另一方面發(fā)展更多的單脈沖成像技術,提升單脈沖成像的時間間隔.“更智能”是指和計算成像、人工智能算法等結合,降低噪聲、色散等影響,在圖像重建中提升圖像信噪比、對比度和分辨率.“更廣泛”是指拓展更多應用,例如在生物分子化學反應監(jiān)測方面,產(chǎn)生“分子電影”的效果.超高時空分辨顯微成像技術不僅對于物理、化學、生物、材料中微觀超快現(xiàn)象的研究有重要支撐作用,其應用涉及超快光學、微納光學、二維材料、光電器件、先進制造等諸多前沿領域,未來具有廣闊的發(fā)展前景.