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作 者

連易靈、姜瀾*、孫靖雅、周家東、周遙

*為通訊作者

機(jī) 構(gòu)

北京理工大學(xué)

Citation

Lian Y L, Jiang L, Sun J Y, Zhou J D, Zhou Y. 2023. Ultrafast quasi-three-dimensional imaging. Int. J. Extrem. Manuf.5045601.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ace944

撰稿 | 文章作者

文章導(dǎo)讀

通過成像分析物體特性是科學(xué)研究與工程應(yīng)用中的基本策略。二維成像能夠在平面上呈現(xiàn)物體兩個(gè)維度的信息，但無法包含真實(shí)的立體構(gòu)造。為提升二維成像的立體特性，通過利用透視原理，將物體投影到畫布或圖像上，從而營造出三維立體感。但無論對圖像進(jìn)行任何處理，這種立體感是虛擬的，觀察者無法在圖像中感知物體的真實(shí)空間結(jié)構(gòu)和內(nèi)部細(xì)節(jié)。當(dāng)觀察的對象從穩(wěn)態(tài)物體轉(zhuǎn)變?yōu)槌爝^程時(shí)，現(xiàn)有二維成像方法更面臨極大挑戰(zhàn)。發(fā)生在超短時(shí)間尺度的如光束傳播、化學(xué)反應(yīng)、物理形變等過程具有鮮明的三維特性，即每個(gè)維度上的特征都在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化。二維成像方法直接缺失一個(gè)維度，導(dǎo)致在描述超快三維過程的幾何形態(tài)、空間關(guān)系及物質(zhì)本征特性時(shí)失真。

鑒于此，北京理工大學(xué)姜瀾教授團(tuán)隊(duì)在《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發(fā)表《Ultrafast quasi-three-dimensional imaging》的文章，首次提出并實(shí)現(xiàn)了超快準(zhǔn)三維成像。該方法在超快二維成像中引入第二個(gè)成像視角，重建了準(zhǔn)三維圖像。真實(shí)地還原了超快過程的空間各向異性形態(tài)、固有光學(xué)屬性等在二維成像中無法體現(xiàn)的信息。并以激光誘導(dǎo)的等離子體為例，驗(yàn)證了超快準(zhǔn)三維成像的解析能力，展示出廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞

多視角成像；提取與重建；準(zhǔn)三維

亮 點(diǎn)

• 提出了超快過程的多視角同時(shí)成像方法及準(zhǔn)三維圖像重構(gòu)策略，觀測能力從二維提升到準(zhǔn)三維

• 采用正交偏振的探測光分別用于反射-透射視角成像，得到高信噪比的圖像信號，解析了多層非熱-熱相變過程；

• 基于二值化圖像輪廓提取結(jié)合歐拉角旋轉(zhuǎn)相乘重建了準(zhǔn)三維圖像，從而能夠觀察到空間各向異性。

圖1超快準(zhǔn)三維成像示意圖。(a)頂端成像和(b)側(cè)面成像組合在一起，實(shí)現(xiàn)如圖(c)所示的多視角同時(shí)成像，底部為圖像處理步驟，包括(d)識別、(e)提取、(f)旋轉(zhuǎn)相乘和(g)取交集。

研究背景

激光激發(fā)產(chǎn)生的超快過程具有極端非線性、非平衡特性，包含復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及激光與材料相互作用的諸多全新機(jī)理。捕獲飛秒激光強(qiáng)場誘導(dǎo)的材料動(dòng)態(tài)演化過程是揭示這些新機(jī)理中最關(guān)鍵和最具挑戰(zhàn)的部分之一，能夠推動(dòng)基礎(chǔ)物理、化學(xué)、光學(xué)新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用，從而促進(jìn)激光在航空航天、信息電子、傳感與檢測、生物醫(yī)學(xué)和新能源等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。在本文中，姜瀾教授團(tuán)隊(duì)介紹了一種超快準(zhǔn)三維成像方法，并以等離子體動(dòng)力學(xué)為例探討了該方法的應(yīng)用。

最新進(jìn)展

反射視角：在圖2（a）中，90 J·cm-2的激光照射引起的反射性變化被詳細(xì)描述。開始時(shí)，中央?yún)^(qū)域的反射率增加。隨著時(shí)間推移，由于激光束內(nèi)的能量分布變化，明亮區(qū)域擴(kuò)展，邊緣出現(xiàn)明暗區(qū)域。圖2（b）展示了不同激勵(lì)下的超快反射響應(yīng)，其中藍(lán)寶石在大約3 ps時(shí)表現(xiàn)出最快的晶格破裂。圖2（c）按三個(gè)階段劃分了中心反射率，描述了材料的相變過程。但這些觀察結(jié)果主要代表了反射視圖的焦平面附近的投影，限制了等離子體性質(zhì)的全面解析。

圖2不同激光通量激發(fā)后正面反射視角的等離子體動(dòng)力學(xué)。(a)在影響為45 J·cm-2和90 J·cm-2的輻照下，延遲時(shí)間為0.15 ps至1200 ps的瞬態(tài)反射率二維圖。(b) 45 J·cm-2和90 J·cm-2焦點(diǎn)區(qū)域直徑軸提取的空間反射率分布。(c)從二維映射圖提取的時(shí)間分辨中心反射率。

透射視角：圖3從側(cè)面展示了激光輻照過程中的超快等離子體演化動(dòng)態(tài)。在兩種不同通量下，研究者均觀察到隨時(shí)間向外擴(kuò)展的亮和暗區(qū)域。亮區(qū)代表低密度等離子體，由庫侖爆炸形成，暗區(qū)是相爆炸產(chǎn)生的液態(tài)。外層等離子體受空氣阻力的影響，其徑向擴(kuò)展速度加快，促進(jìn)了暗區(qū)之中液態(tài)的膨脹。這些研究為深入理解等離子體動(dòng)態(tài)及其相關(guān)物理現(xiàn)象提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖3不同激光通量輻照下側(cè)面透射視角的等離子體動(dòng)力學(xué)。(a)藍(lán)寶石在45 J·cm-2和90 J·cm-2激發(fā)下的瞬態(tài)相對透射率演變ΔT/T。（b）蝕羽流前緣相對透射率隨時(shí)間演化過程。(c)燒蝕邊界處沖擊波寬度隨時(shí)間演化過程。

識別與提取：二值化實(shí)現(xiàn)兩個(gè)視角輪廓的識別，信號區(qū)域內(nèi)取值為1，區(qū)域外取值為0。并基于所識別的輪廓，構(gòu)建后續(xù)重構(gòu)所需的矩陣。

圖4對圖像進(jìn)行邊界分割。二值化得到的(a)反射和(b)透射兩個(gè)角度的邊界分割圖像，(c)和(d)分別為(a)和(b)對應(yīng)的識別圖像，藍(lán)點(diǎn)表示識別輪廓。

圖像重構(gòu)：本圖描述了通過歐拉角旋轉(zhuǎn)相乘的方法，重建90 J·cm-2輻照下200 ps延遲圖像中的準(zhǔn)三維等離子體圖像。首先，從頂部和側(cè)面視圖獲取灰度圖像，通過二值化和顏色反轉(zhuǎn)生成兩個(gè)矩陣Matrix-Top和Matrix-Side。為確保兩矩陣尺寸一致，進(jìn)行尺寸計(jì)算和調(diào)整。接著，通過逆轉(zhuǎn)換技術(shù)創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)矩陣，并獲取三維坐標(biāo)點(diǎn)。最后，構(gòu)建36個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣，旋轉(zhuǎn)3D圖像，并生成一個(gè)完整的3D圖形的圖像。

圖5圖像重建(a)包括從18個(gè)不同角度匹配和重建三維等高線圖像。(b) 3D圖的底部、頂部和側(cè)面視圖。

示例：從不同位置的橫截面圖像得出，等離子體的早期爆發(fā)不對稱。進(jìn)一步比較二維和準(zhǔn)三維成像，準(zhǔn)三維成像蘊(yùn)含了更多的等離子體演化規(guī)律，尤其在空間不對稱性和等離子體特性上。此外，與二維成像相比，準(zhǔn)三維成像所具有空間特征不受到信息缺失的影響。

圖6從重構(gòu)圖像中提取截面圖像。(a)垂直于x軸方向提取的橫斷面視圖圖像。橫截面圖像顯示為三維形狀。黃色代表低透光率，白色代表高透光率。垂直于(b) x軸和(c) y軸方向的橫切面。橫截面圖像顯示為二維圖像。黑色代表低透過率，白色代表高透過率。(d)延遲100 ps和200 ps的部分橫斷面圖像對比。

未來展望

利用超快成像方法觀測微尺度物質(zhì)演化和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是發(fā)現(xiàn)超快新現(xiàn)象、揭示超快新機(jī)制、推動(dòng)超快新應(yīng)用的根本。超快準(zhǔn)三維成像能夠突破平面二維成像的局限，使觀測能力從超快二維提升至超快準(zhǔn)三維。能夠更好的滿足前沿科學(xué)與工程應(yīng)用領(lǐng)域的觀測需求，也為超快技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用發(fā)展提供了新的思路。

作者簡介

姜 瀾

北京理工大學(xué)

姜瀾，北京理工大學(xué)講席教授，國家高層次人才，教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人(2013年)等。獲批 973 首席(結(jié)題優(yōu)秀)。任“增材制造與激光制造”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃總體專家組組長(2016)，“非硅微納制造”工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任(2016)，數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任 (2018)，復(fù)雜微細(xì)結(jié)構(gòu)加工技術(shù)國家級創(chuàng)新中心主任(2019)。任美國加州大學(xué)伯克利 R.S. Springer Professor (榮譽(yù)杰出教授)、美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯客座教授(2010-2019)，當(dāng)選美國機(jī)械工程學(xué)會(huì)(ASME)會(huì)士、美國光學(xué)學(xué)會(huì)(OSA)會(huì)士、國際納米制造學(xué)會(huì)(ISNM)會(huì)士。獲國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(第一完成人，2016)、何梁何利科技創(chuàng)新獎(jiǎng)(2017)、教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)(第一完成人，2018)、廣東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（第一完成人，2022）、全國創(chuàng)新爭先獎(jiǎng)狀（2023）等。迄今共發(fā)表SCI論文368篇，影響因子 10 以上92篇，H因子68。所指導(dǎo)博士生獲得 6 次上銀機(jī)械優(yōu)博：優(yōu)秀獎(jiǎng)(2014)、銅獎(jiǎng)(2015)、銀獎(jiǎng)(2016)、佳作獎(jiǎng)(2017，2021，2022)。參與撰寫國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃(2021-2035)(負(fù)責(zé)高新技術(shù)部分的“激光制造”和“增材制造”兩個(gè)子領(lǐng)域以及基礎(chǔ)研究部分的“極端制造”子領(lǐng)域)，負(fù)責(zé)科技部“增材制造與激光制造”、國家自然科學(xué)基金委“高能束與特種能場制造”、863“非硅微納制造方向”等十四五/十三五/十二五規(guī)劃制定。做主流國際大會(huì)邀請報(bào)告 82 次、其中 Keynote/Plenary 報(bào)告 23 次。任 《Nature》 旗下 《Microsys. & Nanoeng.》、《Science》合作期刊《Research》、《J. Laser Appl.》等 10 個(gè)期刊編委/高級編輯/副主編。

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《極端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）是極端制造領(lǐng)域的首本國際期刊，致力于發(fā)表極端制造相關(guān)領(lǐng)域的高質(zhì)量最新研究成果，文章形式主要為原創(chuàng)性和綜述性文章。目前該刊共設(shè)四大欄目：材料與能場相互作用、工藝方法、極端功能材料/結(jié)構(gòu)/器件、測量與系統(tǒng)。IJEM現(xiàn)已被SCI、EI、Scopus、CNKI等數(shù)據(jù)庫收錄。2023年JCR最新影響因子14.7，位列工程/制造學(xué)科領(lǐng)域第一。中科院分區(qū)工程技術(shù)1區(qū)，TOP期刊。同時(shí)入選“中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊”（TOP 5%）。鉆石開放獲取，免收作者版面費(fèi)，雙匿評審。

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撰稿：作者 編輯：范珂艷 審核：關(guān)利超