在现代科学研究与工业应用的诸多领域，超快现象的观测与记录具有极为关键的意义。惯性约束聚变、激光与物质相互作用、等离子体物理以及激光手术等过程均涉及瞬间发生且转瞬即逝的动态事件，对这些事件的精确捕捉与分析是深入理解相关物理机制并实现技术优化的关键前提。然而，传统的成像技术手段在面对超短时间尺度的动态场景时往往力不从心，难以同时兼顾高时间分辨率、大序列深度、高图像质量以及灵活的帧间隔等关键性能指标。

STS-UFP技术的出现为这一困境带来了全新的解决方案，其独特的设计思路与技术架构有望将超快成像技术推向新的高度，为超快现象的研究提供强大助力，开启超快成像领域的新篇章，推动相关学科的持续进步与发展。

研究背景与技术挑战
超快成像需求与传统技术局限
观察和记录超快动态事件对于理解基本原理以及控制相关过程至关重要，例如惯性约束聚变、激光与物质相互作用、等离子体物理和激光手术等。传统高速摄像机虽然能够满足微秒时间范围内的动态观察需求，但受限于芯片存储和电子读出速度，难以记录更短时间尺度的动态场景。

分幅摄影技术的发展与瓶颈
分幅摄影技术通过时间分割的方式，利用多个物理或虚拟相机捕捉瞬态事件，能够突破电子速度的限制，实现高达飞秒级的时间分辨率，成为观测超快现象的主流工具。然而，现有的分幅摄影技术存在诸多局限，如序列深度有限、图像质量欠佳、时间分辨率较低或帧间隔固定等问题，严重阻碍了对超快动力学的精确研究。比如，由分束器和多个门控相机组成的超快分幅相机虽图像质量高，但却在序列深度与光通量之间面临权衡困境，且随着序列深度的增加，成本大幅攀升。其他超快光学分幅摄影技术通常将时间信息转换为波长、空间、空间频率、角度或偏振等其他域的信息，但这些方法在增加通道数量、避免帧间串扰、减少信息损失以及灵活调整时间窗口等方面存在不同程度的困难，难以满足多样化超快现象研究的需求。

技术创新与应用
STS-UFP技术的核心原理
为应对上述挑战，研究者们提出了基于时空剪切的超快分幅摄影技术——STS-UFP。该技术采用基于光谱穿梭的可调谐超短激光脉冲列来照明动态场景，以提取瞬态信息，并利用条纹相机通过时空剪切记录离散帧。

灵活的脉冲列生成与照明
其核心创新在于灵活的脉冲列生成与照明，采用光谱穿梭方法产生激光脉冲列，能够灵活调整脉冲数量和时间间隔，从而确定序列深度和时间窗口。每个子脉冲的超短持续时间可实现对动态场景的精确时间切片，避免时空模糊。

时空剪切记录与灵活检测
时空剪切记录与灵活检测是另一大创新点，利用条纹相机进行时空剪切记录，将不同时刻的图像重新分配到不同的空间位置。通过改变扫描电压的斜率，可轻松调整条纹相机的时间窗口，以适应不同时间尺度的超快过程检测需求。

空间切片与序列深度平衡
为平衡视场（FOV）和序列深度，引入空间切片与序列深度平衡装置。通过复制动态场景并进行垂直位移重新分配，使记录区域转化为三个水平排列的切片，从而在条纹相机入口狭缝处进行裁剪，增加序列深度的同时控制FOV的高度损失。

空间切片与序列深度平衡
STS-UFP技术的应用前景广阔。在惯性约束聚变研究中，可精确捕捉燃料pellet压缩过程中的超快动态变化，为提高聚变效率提供关键数据支持；在材料科学领域，能够实时观测激光加工过程中材料的超快响应与结构变化，助力优化加工参数，提升材料性能；在生物医学方面，可用于研究飞秒激光手术中生物组织与激光的相互作用机制，指导手术参数优化，降低手术风险，提高治疗效果。

成像实验与结果分析
水中激光诱导等离子体与冲击波成像实验
在水中激光诱导等离子体与冲击波成像实验中，使用400nm飞秒激光脉冲横向聚焦到蒸馏水中，通过STS-UFP技术以12个子脉冲（2ns时间间隔）作为探测光束，捕获了从0ns到22ns时间窗口内的12个瞬态图像。结果显示，在0ns图像中，高输入激光强度和物镜的紧密聚焦导致激光焦点附近发生自聚焦现象，迅速电离分子并形成等离子体通道；4ns图像揭示了等离子体通道外冲击波层的形成；6ns图像清晰显示出冲击波和等离子体的轮廓并向外扩散；从4ns到20ns，冲击波以约1.5km/s的相对稳定速度扩张，而等离子体扩张缓慢，导致冲击波与等离子体分离。这一实验结果验证了STS-UFP技术对水下激光诱导等离子体和冲击波动态过程的高分辨率、高帧率成像能力，为水下激光应用研究提供了有力工具。

生物组织飞秒激光消融成像实验
生物组织飞秒激光消融成像实验中，利用STS-UFP技术观测洋葱表皮细胞的飞秒激光消融过程。400nm飞秒激光脉冲聚焦到洋葱表皮细胞表面，产生12个探测脉冲（2ns时间间隔）进行照明。结果显示，飞秒激光作用后在细胞中心形成黑色区域，对应于激光诱导等离子体的产生；消融区域的透射率随时间迅速下降，表明等离子体密度增加；消融区域逐渐扩大，通过测量0-20ns内红色箭头指示位置处黑色区域的半径变化，可深入了解飞秒激光消融生物组织的动力学过程，为激光手术等生物医学应用提供了关键数据支持。

硅表面飞秒激光诱导冲击波成像实验
硅表面飞秒激光诱导冲击波成像实验中，STS-UFP系统产生16个探测激光脉冲（0.5ns间隔），捕获了7.5ns观察时间窗口内的16个瞬态图像。400nm飞秒激光脉冲聚焦到硅表面，0ns图像展示了长激光丝的形成；0.5-1.5ns图像中，消融区域产生大量等离子体，黑色区域指示等离子体中的激光激发电子吸收探测激光；2-7ns期间，冲击波前沿快速扩张并呈现隆起效应；通过测量不同时刻冲击波在水平和45°斜方向上的扩张距离，并结合塞多夫-泰勒理论进行拟合分析，实验与理论高度吻合，验证了STS-UFP技术的高精度成像性能，为半导体制造等领域的激光加工研究提供了重要手段。

总结与展望
STS-UFP技术作为一种新型超快分幅成像技术，在超快现象观测领域展现出巨大的潜力和价值。通过巧妙结合时间离散照明与时空剪切成像技术，实现了大序列深度、高图像质量、超短曝光时间和灵活帧间隔的突破，成功解决了传统超快成像技术面临的诸多难题。其在激光诱导等离子体与冲击波、生物组织飞秒激光消融以及硅表面激光诱导冲击波等不同超快事件成像中的出色表现，充分证明了该技术的广泛应用前景和强大的科研支撑能力。在未来的发展中，随着技术的不断优化和成本的降低，STS-UFP技术有望在更多领域得到推广应用，进一步拓展人类对超快现象的认知边界，为相关学科的发展和技术创新注入新的活力。

论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
He, Yu, et al. Spatiotemporal shearing-based ultrafast framing photography for high performance transient imaging.Photonics Research 13.3 (2025): 642-648.
DOI：org/10.1364/PRJ.550060.