近期，深圳大學(xué)閔長(zhǎng)俊教授團(tuán)隊(duì)提出了一種雙模態(tài)超快顯微鏡系統(tǒng)，結(jié)合二維反射率成像和三維形貌成像技術(shù)，空間分辨率和時(shí)間分辨率分別達(dá)到 236 納米和 256 飛秒，成功捕捉到硅表面激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)的形成、增強(qiáng)和擦除過(guò)程，為理解激光與材料的相互作用提供了更全面的視角。

在這項(xiàng)研究中，研究人員利用雙模態(tài)成像技術(shù)，通過(guò)光學(xué)探測(cè)提取了更多維度的信息，如相位、光譜等，從而將二維圖像轉(zhuǎn)化為三維變化視頻，極大提高了信息利用率和提取程度。閔長(zhǎng)俊對(duì) DeepTech 表示：“這就好比從只能拍攝黑白照片提升到能夠獲取彩色照片的細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了從二維到三維的跨越?！?/p>

圖丨閔長(zhǎng)俊教授團(tuán)隊(duì)（來(lái)源：該團(tuán)隊(duì)）

日前，相關(guān)論文以《雙模態(tài)時(shí)空成像技術(shù)揭示超快激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)的超快動(dòng)力學(xué)》（Dual-modal spatiotemporal imaging of ultrafast dynamics in laser-induced periodic surface structures）為題發(fā)表在 Light：Advanced Manufacturing[1]。深圳大學(xué)韋芊屹博士和倪潔蕾副研究員是共同第一作者，閔長(zhǎng)俊教授、袁小聰教授和張聿全副教授擔(dān)任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Light：Advanced Manufacturing）

傳統(tǒng)的時(shí)空成像技術(shù)依賴于反射成像，往往無(wú)法捕捉全面信息，導(dǎo)致這些相互作用的理論模型大多是定性的。為了解決該問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)將二維反射率和三維形貌成像相結(jié)合，開發(fā)了一種雙模態(tài)超快顯微鏡系統(tǒng)。

研究中面臨最大的技術(shù)挑戰(zhàn)是同時(shí)兼顧時(shí)間和空間的分辨率。在空間分辨率方面，顯微鏡的衍射極限基本是半個(gè)波長(zhǎng)。而在本次研究中，研究人員使用高數(shù)值孔徑的物鏡在空間上實(shí)現(xiàn) 236 納米的分辨率，已逼近空間衍射極限。與此同時(shí)，還要保證在時(shí)間分辨率方面不損失太多。

圖丨雙模態(tài)時(shí)空成像系統(tǒng)的示意圖（來(lái)源：Light：Advanced Manuf）

閔長(zhǎng)俊進(jìn)一步說(shuō)道：“有時(shí)候經(jīng)過(guò)一些復(fù)雜的空間高精度路徑后，會(huì)引入過(guò)多色散會(huì)讓時(shí)間分辨率顯著變差，比如飛秒的脈沖可能會(huì)變成皮秒的脈沖。所以我們?cè)谡麄€(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，全面考慮了既要保持飛秒的脈沖，又要兼顧高的空間分辨率的問(wèn)題?！?/p>

在泵浦探測(cè)成像時(shí)，通常是測(cè)量樣品的反射率信息，一次拍照只能得到一張明暗的二維圖片。值得關(guān)注的是，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了泵浦探測(cè)技術(shù)和干涉成像，通過(guò)傅里葉變換提取了零級(jí)和一級(jí)頻譜分量來(lái)重建圖像。這樣不僅可提取出相位信息，還能通過(guò)相位反解出高度和反射光的強(qiáng)度。

反射光的強(qiáng)度代表樣品材料對(duì)光的吸收率等材料特性，而相位信息則代表表面三維形貌的特性。閔長(zhǎng)俊表示：“這是一種非常合適的提取信息的方法，它們正好反映了材料樣品的不同信息。我們?cè)诹慵?jí)和正一級(jí)之間分開提取，保證了它們?cè)跁r(shí)間和空間上完全同步，可以同時(shí)獲得物理性質(zhì)變化（反射率）和結(jié)構(gòu)形貌變化（地形）兩種瞬態(tài)信息，既解決了信息維度單一的問(wèn)題，也滿足了精確測(cè)量的需求，讓定量研究超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程成為了可能?！?/p>

（來(lái)源：Light：Advanced Manufacturing）

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以快速進(jìn)行原位操作：一邊用脈沖光進(jìn)行結(jié)構(gòu)加工，同時(shí)另一邊探測(cè)光可以快速成像和原位表征，并且不需要把樣品拿出來(lái)再用掃描電鏡掃描成像。

其具有普適性，在汽車、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，可用于大部分的材料表面加工，例如原位的加工過(guò)程和加工工藝參數(shù)的優(yōu)化。只要能夠提取出反射光場(chǎng)和條紋干涉光場(chǎng)的情境都可以進(jìn)行成像，比如硅、鍺、碳化硅等半導(dǎo)體材料，以及常用的金屬材料，甚至藍(lán)寶石、聚合物等透明材料。

在科研領(lǐng)域，該技術(shù)可以用于研究高精度現(xiàn)象，特別是揭示超快現(xiàn)象的爭(zhēng)議性問(wèn)題。例如，在超快激光加工材料的過(guò)程中，目前國(guó)際上對(duì)其加工機(jī)理具有幾種不同的解釋，有些基于溫度控制、有些基于流體，還有些基于表面等離子體。通過(guò)更多維度信息的觀察，有助于推動(dòng)微觀的、快速的、超快的現(xiàn)象進(jìn)行更深入的探索，并深入探索其機(jī)理。

（來(lái)源：Light：Advanced Manufacturing）

閔長(zhǎng)俊團(tuán)隊(duì)在前期工作中主要集中在顯微成像和其他傳感領(lǐng)域的光場(chǎng)調(diào)控。近年來(lái)，他們致力于時(shí)空光場(chǎng)調(diào)控的研究，包括時(shí)空光學(xué)漩渦以及特殊的時(shí)空全息光場(chǎng)調(diào)制。此外，他們還將這些超快時(shí)空全息光場(chǎng)應(yīng)用于飛秒加工、超快時(shí)間成像以及相關(guān)檢測(cè)領(lǐng)域。

目前，無(wú)論是材料加工、材料學(xué)研究，還是物理和化學(xué)現(xiàn)象的研究，都需要可同時(shí)擁有高時(shí)間分辨率和高空間分辨率的超快成像技術(shù)，包括 3D 打印、透明材料內(nèi)部的波導(dǎo)加工等在內(nèi)的應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)致力于在觀測(cè)維度上有所突破?，F(xiàn)階段其主要關(guān)注表面結(jié)構(gòu)的淺表層三維形貌測(cè)量，他們正在向能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部的三維空間分辨和時(shí)間分辨方向發(fā)展。此外，研究人員希望在觀測(cè)信息上獲取更多模態(tài)，以不斷了解過(guò)程中發(fā)生的物理變化，同時(shí)還可通過(guò)光譜來(lái)判斷是否有化學(xué)鍵、分子構(gòu)型等化學(xué)方面的變化。

據(jù)了解，如果要將這項(xiàng)技術(shù)打造成工業(yè)加工檢測(cè)儀器，還需要開發(fā)一些全自動(dòng)的算法和智能軟件，使其具備可視化、全自動(dòng)的功能；并且，還需要用單脈沖單次測(cè)量技術(shù)來(lái)替代目前的泵浦探測(cè)方式。“我們希望用三至五年時(shí)間，將該技術(shù)推向工業(yè)化?！遍h長(zhǎng)俊表示。

參考資料：

1.Wei et al. Light：Advanced Manufacturing 6:30 (2025). https：//doi.org/10.37188/lam.2025.030