陈根：拍摄光子的相机

文／陈根

压缩超快摄影（CUP）是一种新兴的强有力的技术，它可以在一次拍摄中对不可重复或难以产生的瞬态事件进行成像。尽管其已取得了许多进展，但现有的CUP技术只能在可见光和近红外波长下工作。

而要想捕捉以光速飞行的微小粒子，则还需要感知到更短的波长。比如，在紫外甚至X射线范围内做到这一点，就是朝着这个目标迈出的显著一步。

为了克服这些局限，加拿大国家科学研究所（National Institute of la Recherche Scientifique）开发了名为UV－CUP（压缩超快摄影）的摄像机。该设备被称为世界上最快的紫外线照相机，它能够捕捉仅持续一皮秒的超快事件，其速度足以实时看到紫外线光子在空气中飞行。

首先，研究小组开发出了一种特殊的光电阴极，并将其集成到一种被称为条纹相机（streak camera）中，这是一种专门为测量超快光学现象而开发的设备。此外，研究小组还需要开发一种新的算法来获取数据并从中构建图像。

这也对应着使用相机的两个步骤，即在数据采集中，先将瞬时事件中的信息挤压成一个快照。再将快照被输入到重建算法中，以检索出电影。

当然，尽管UV－CUP是世界上速度最快的相机，但它仍然可以改进。例如，选择的光电阴极效率有限，因此研究人员希望探索其他类型的材料。关于重建，研究人员表示，该算法已经大大提高了质量，但它仍然需要相当长的时间。为了提高它的速度，未来或许将利用人工智能来改进它。

目前，UV－Cup正被送往法国的一个研究实验室，在那里它将被用来捕捉不同的物理现象。这可能包括激光等离子体的产生和紫外荧光，这可能有助于改善用于诊断疾病的医学成像技术，UV－CUP也有望在基础科学和应用科学中找到更多应用。

其研究结果已发表在《激光与光子学评论》杂志上。