超快光学成像能够记录纳秒甚至飞秒时间尺度的瞬态过程，在物理学、化学、生物医学、材料科学等诸多领域发挥着不可或缺的作用。同时，相位作为光场的一个重要分量，承载了许多强度成像无法揭示的独特信息，例如能够提供关于物体形态、折射率和厚度等细节，这些信息对于理解和分析物体的内部结构和性质至关重要。然而，传统的超快光学成像技术大多无法同时获取强度和相位信息，这严重限制了对超快动态过程的全面理解。

针对这一领域内公认的科学性难题，实验室张诗按教授研究团队与中科院上海光学精密机械研究所合作，巧妙地将压缩感知原理、相干调制成像与时空偏转成像深度融合，提出了一种可以同时实现定量超快强度和相位成像的压缩感知型相干调制超快成像（CS-CMUI）技术。该技术将被测动态场景的强度和相位信息调制到脉冲光场中，通过压缩感知原理在单次曝光测量中获取脉冲光场复振幅信息的压缩快照，再结合深度学习与迭代计算的免训练图像重构算法，精确还原待测动态场景的时空强度和相位信息。

研究团队搭建的实验装置如图a所示，主要包括相干光源、动态场景、随机相位调制板和条纹相机。来自相干光源的激光脉冲照射动态场景，将其时变光场信息加载至激光脉冲中。经过衍射传播和随机相位调制后，进一步衍射传播并进入狭缝完全打开的条纹相机，实现时空偏转和快照压缩。通过对纳秒激光激发氧化铟硒（ITO）烧蚀动力学过程的实时观测，研究团队证实CS-CMUI能以极高的时间分辨率和相位保真度重建出动态场景的时空复振幅演化过程（如图b和c所示）。可以预见，CS-CMUI技术将极大推动超快光学成像的发展，帮助研究人员从更加完整的视角洞察和分析超快动力学过程，为探索不可逆或难以重复的材料相变、等离子体动力学等提供关键技术支撑。该研究成果以华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室为第一单位发表于Physical Review Letters 132, 173801 (2024)。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.173801

图  基于压缩感知原理的相干调制超快成像的(a)实验系统及使用其探测的ITO薄膜烧蚀(b)强度和(c)相位超快动力学。