详解光速成像技术

　　今天为大家介绍的是详解光速成像技术，尺寸较小的微米和纳米结构在材料的表面是肉眼看不见的，但在决定材料的物理，化学和生物医学性能上发挥了重要作用。

　　在过去的几年中，Chunlei Guo和他的研究团队在罗切斯特大学发现了通过照射激光脉冲在材料表面可对这些结构进行人工操作的方法。通过这种方法，他们已经改变了材料的性质，使他们呈现排水吸水的特性，并在没有任何类型的涂层情况下吸收大量的光。

　　如今Guo，Anatoliy Vorobyev，Ranran Fang作为大学的光学研究所的研究人员，对这项技术有了更进一步的研究。他们已经开发出一种技术，第一次，观察到材料表面的微观和纳米结构的形成，无论是在激光脉冲的应用程序使用期间和还是之后的完整的演变。

　　Guo说：“在我们确定我们可以通过在它的表面创造微小结构来彻底改变材料的特性之后，接下来的自然步骤就是了解这些微小的结构是如何形成的。这是非常重要的，因为当你了解它们是如何形成的，你就可以更好地控制它们。”

　　了解了这种控制将可以用于实现各种技术的改进方法，包括防腐建材、减震器、燃料电池、太空望远镜、飞机除冰、医疗器械以及改善第三世界国家的卫生情况。

　　在《自然》杂志旗下的《科学与应用》杂志上发表的一篇论文中，该组织介绍了一种散射光成像技术，使他们能够记录一种超快的激光照射材料表面的方法。在技术上打开一个观察整个过程的窗口，如利用激光让材料熔化，使其表面瞬态波动，制作永久性的微型和纳米结构等。

　　制作一个一英寸乘一英寸的金属模式样品，需要大约一个小时。确定微观和纳米结构的形式，可以让科学家能够简化这些结构的创建，包括加快表面图案制作的速度和效率。

　　创建和改变这些小的结构，实现材料的部分特性性质，并减少临时化学涂层的需要。

　　为了产生这些效应，研究人员使用飞秒激光器。这是一种可以产生了一个超快速激光脉冲的激光器，其产生的脉冲持续时间为几十飞秒。（一飞秒等于万亿分之一秒。）

　　改变激光的条件会导致表面结构的形态特征的变化，如它们的几何形状，大小和密度，导致材料表现出各种特定的物理性质。

　　我们很难获得在微米纳米尺寸的整个过程的详细的图像和事件发生情况，因为它们发生在飞秒，皮秒（一兆分之一秒的），和纳秒（一秒的十亿分之一）时间尺度。

　　换一种角度来看，Vorobyev解释说，光从地球旅行到月球它需要大约一秒钟的时间。然而，光只在一纳秒内只会走大约一步距离，一飞秒可走约0.3微米，这一个距离相当于病毒或细菌的直径，仅约1英尺。

　　典型的摄像机以每秒五到30帧的速度记录一系列图像。但在实时播放一系列图像时，人眼感知的是连续运动而不是一系列独立的帧。

　　Guo的研究团队是如何能够在飞秒，皮秒和纳秒时间间隔内记录的呢？他们使用了一种技术，涉及散射光。飞秒激光脉冲时，光束一分为二：一个泵浦光束旨在为物质目标造成微-纳米结构的变化，和第二探针束作为一个闪光灯照亮的过程，并由CCD摄像头这种高分辨能力高度敏感的成像装置进行记录成像。

　　“我们非常努力地开发这种新技术，”Guo说。“随着散射光脉冲在飞秒时间间隔内进行传输，我们可以捕捉到非常小的变化，以极快的速度。从这些图像，我们可以清楚地看到结构是如何开始形成的。”

　　Guo解释说，这种散射光的可视化技术可以捕捉任何发生在一分钟内时间规模的过程。我们开发的技术不一定只限于研究在我实验室内所具有的材料表面效应，我们这项工作的研究基础对于超快材料表面的微小变化都是非常重要的。”这包括研究熔融，结晶，流体动力学，甚至细胞的活动等。