近期，深圳大學閔長俊教授團隊提出了一種雙模態超快顯微鏡系統，結合二維反射率成像和三維形貌成像技術，空間分辨率和時間分辨率分別達到 236 納米和 256 飛秒，成功捕捉到硅表面激光誘導周期性表面結構的形成、增強和擦除過程，為理解激光與材料的相互作用提供了更全面的視角。
在這項研究中，研究人員利用雙模態成像技術，通過光學探測提取了更多維度的信息，如相位、光譜等，從而將二維圖像轉化為三維變化視頻，極大提高了信息利用率和提取程度。閔長俊對 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節，實現了從二維到三維的跨越。”
圖丨閔長俊教授團隊（來源：該團隊）
日前，相關論文以《雙模態時空成像技術揭示超快激光誘導周期性表面結構的超快動力學》（Dual-modal spatiotemporal imaging of ultrafast dynamics in laser-induced periodic surface structures）為題發表在 Light：Advanced Manufacturing[1]。深圳大學韋芊屹博士和倪潔蕾副研究員是共同第一作者，閔長俊教授、袁小聰教授和張聿全副教授擔任通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Light：Advanced Manufacturing）
傳統的時空成像技術依賴于反射成像，往往無法捕捉全面信息，導致這些相互作用的理論模型大多是定性的。為了解決該問題，研究團隊將二維反射率和三維形貌成像相結合，開發了一種雙模態超快顯微鏡系統。
研究中面臨最大的技術挑戰是同時兼顧時間和空間的分辨率。在空間分辨率方面，顯微鏡的衍射極限基本是半個波長。而在本次研究中，研究人員使用高數值孔徑的物鏡在空間上實現 236 納米的分辨率，已逼近空間衍射極限。與此同時，還要保證在時間分辨率方面不損失太多。
圖丨雙模態時空成像系統的示意圖（來源：Light：Advanced Manuf）
閔長俊進一步說道：“有時候經過一些復雜的空間高精度路徑后，會引入過多色散會讓時間分辨率顯著變差，比如飛秒的脈沖可能會變成皮秒的脈沖。所以我們在整個系統的設計方面，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題。”
在泵浦探測成像時，通常是測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。值得關注的是，研究團隊結合了泵浦探測技術和干涉成像，通過傅里葉變換提取了零級和一級頻譜分量來重建圖像。這樣不僅可提取出相位信息，還能通過相位反解出高度和反射光的強度。
反射光的強度代表樣品材料對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。我們在零級和正一級之間分開提取，保證了它們在時間和空間上完全同步，可以同時獲得物理性質變化（反射率）和結構形貌變化（地形）兩種瞬態信息，既解決了信息維度單一的問題，也滿足了精確測量的需求，讓定量研究超快動力學過程成為了可能。”
（來源：Light：Advanced Manufacturing）
該技術的優點是可以快速進行原位操作：一邊用脈沖光進行結構加工，同時另一邊探測光可以快速成像和原位表征，并且不需要把樣品拿出來再用掃描電鏡掃描成像。
其具有普適性，在汽車、航空航天和生物醫學等領域具有應用前景，可用于大部分的材料表面加工，例如原位的加工過程和加工工藝參數的優化。只要能夠提取出反射光場和條紋干涉光場的情境都可以進行成像，比如硅、鍺、碳化硅等半導體材料，以及常用的金屬材料，甚至藍寶石、聚合物等透明材料。
在科研領域，該技術可以用于研究高精度現象，特別是揭示超快現象的爭議性問題。例如，在超快激光加工材料的過程中，目前國際上對其加工機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。通過更多維度信息的觀察，有助于推動微觀的、快速的、超快的現象進行更深入的探索，并深入探索其機理。
（來源：Light：Advanced Manufacturing）
閔長俊團隊在前期工作中主要集中在顯微成像和其他傳感領域的光場調控。近年來，他們致力于時空光場調控的研究，包括時空光學漩渦以及特殊的時空全息光場調制。此外，他們還將這些超快時空全息光場應用于飛秒加工、超快時間成像以及相關檢測領域。
目前，無論是材料加工、材料學研究，還是物理和化學現象的研究，都需要可同時擁有高時間分辨率和高空間分辨率的超快成像技術，包括 3D 打印、透明材料內部的波導加工等在內的應用。
研究團隊致力于在觀測維度上有所突破。現階段其主要關注表面結構的淺表層三維形貌測量，他們正在向能夠同時實現材料內部的三維空間分辨和時間分辨方向發展。此外，研究人員希望在觀測信息上獲取更多模態，以不斷了解過程中發生的物理變化，同時還可通過光譜來判斷是否有化學鍵、分子構型等化學方面的變化。
據了解，如果要將這項技術打造成工業加工檢測儀器，還需要開發一些全自動的算法和智能軟件，使其具備可視化、全自動的功能；并且，還需要用單脈沖單次測量技術來替代目前的泵浦探測方式。“我們希望用三至五年時間，將該技術推向工業化。”閔長俊表示。
參考資料：
1.Wei et al. Light：Advanced Manufacturing 6:30 (2025). https：//doi.org/10.37188/lam.2025.030
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