据中国激光杂志社网，于2025年04月29日报道，观察和记录瞬态事件，对于理解其基本物理原理以及实现对相关过程的控制至关重要，例如惯性约束聚变、激光与材料的相互作用、等离子体物理以及激光手术等；深入探究这些瞬态过程的内在机制需要发展具备高时空分辨率的超快成像技术。尽管高速相机能够以每秒百万帧的速率记录动态过程，满足微秒量级时间尺度的观测需求，但由于芯片读出速度的限制，难以捕捉更短时间尺度上的动态场景。相比之下，分幅成像技术通过时空分割，利用多个物理或虚拟相机记录瞬态事件，能够突破相机读出速率的限制，实现更快的时间分辨率，因此成为观测超快现象的主流工具。然而，现有的光学分幅成像技术普遍存在序列深度受限、图像质量较低、时间分辨率不足或帧间隔固定等问题，这些问题制约了对超快动态过程的精确探测。

为解决上述挑战，华东师范大学张诗按教授团队开发了一种基于时空剪切的超快分幅成像技术，为亚纳秒的超快场景提供了一种高性能瞬态成像方案。相关成果以“Spatiotemporal shearing-based ultrafast framing photography for high performance transient imaging”为题发表于Photonics Research 2025年第3期。

该研究提出了一种结合离散脉冲串照明与时空剪切成像的方法。实验系统如图1所示。基于时空剪切的超快分幅成像系统（STS-UFP）采用基于频谱穿梭的脉冲串产生装置生成照明脉冲串，该装置能够灵活调节子脉冲的数量及时间间隔，从而控制成像的序列深度和时间窗口，实现对超快动态场景的离散采样。同时，脉冲串中的子脉冲具有超短的持续时间，能够对动态场景进行精确的时间切片，避免因时空混叠而造成的模糊现象。条纹相机通过时空剪切记录动态场景，将不同时间瞬间的图像重分配至不同的空间位置。此外，为了在STS-UFP系统中平衡视场与成像序列深度，系统引入了空间切片装置。该装置通过复制动态场景，并在水平方向上重新分配，同时引入垂直偏移，使得经过条纹相机入射狭缝后，记录区域被转换为三个水平排列的切片。

这一方法有效优化了成像序列深度与视场高度之间的权衡，提高了系统的综合成像性能。STS-UFP系统的时间窗口可通过调节脉冲串间隔和条纹相机扫描电压的斜率灵活调整，以满足不同时间尺度的观测需求。最后，通过图像处理算法对拍摄到的图像进行重新组合，从而获得离散的动态场景图像序列。为了提升图像质量，图像处理中采用了拉普拉斯融合方法，以最小化拼接位置的强度失配，同时引入基于DRU-Net的降噪算法有效抑制噪声，从而优化成像效果。该方法的数据流程如图2所示。

STS-UFP实现了高保真分幅成像，序列深度可达16帧，帧间隔可在几百皮秒至纳秒范围内调节，同时保持皮秒级的曝光时间。为了验证STS-UFP的超快成像能力，研究团队拍摄了三种超快现象：飞秒激光诱导水中等离子体及冲击波、飞秒激光烧蚀生物样品以及激光诱导硅表面冲击波。实验清晰地展示了冲击波的传播、等离子体的动态演化以及飞秒激光与物质相互作用所导致的结构损伤。

如图3所示，飞秒激光经过物镜的紧密聚焦，在焦点附近引发了自聚焦现象，迅速电离分子并形成等离子体通道。在4 ns时刻的图像中，显示出在等离子体通道外部形成了冲击波层，图中用两个红色三角形标示出冲击波与等离子体通道的分界。4 ns之后，冲击波与等离子体的轮廓逐渐变得清晰可辨，并自等离子体通道向外扩展。

如图4所示，在0 ns时刻的图像显示了经过长焦透镜聚焦后产生的光丝。在0.5—1.5 ns之间的图像中，可以观察到烧蚀区域产生了大量等离子体，等离子体内被激发的电子吸收了探测激光，导致区域中呈现为黑色。随后，等离子体逐渐变得透明，并推动周围空气向外扩散，最终形成冲击波。在2—7 ns之间，冲击波前沿迅速扩展，并表现出膨胀的趋势。

通信作者张诗按教授指出：“这项技术结合了时域离散照明与时空剪切成像，实现了大序列深度、高图像质量、超短曝光时间和可调的帧间隔，提供了一种为高保真长序列的原位超快观测手段，为进一步研究超快现象的精细过程提供了有力的工具，例如探索飞秒激光烧蚀机制、优化激光加工参数以及指导激光手术等。”