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激光材料加工的实时监测是指在激光加工过程中，通过各种传感器和技术手段对加工过程进行监测，以获得有关加工状态和质量的即时信息。然而，传统显微技术成像速度慢、视野有限、分辨率不足，数据通量大，难以满足高速动态场景下的高精度监测需求。针对这些问题，西湖大学的袁鑫与西安电子科技大学的石理平团队开发了一种新型的双路径快照压缩显微成像系统（DP-SCM），用于超快激光材料加工的原位实时监测。DP-SCM系统通过结合高分辨率与宽视场的双路径光学设计，每一路都采用单曝光压缩成像技术，突破了成像速度与数据存储之间的瓶颈，并利用先进的深度学习重建算法，实现了在大视场内高速捕捉微纳结构的动态变化。该系统在实验中成功观测了纳米光栅的生长过程，为揭示新材料机制提供了强有力的工具。该成果以“In-situ real-time monitoring of ultrafast laser processing using wide-field high-resolution snapshot compressive microscopy“为题发在Light: Advanced Manufacturing。图1：大视场、高分辨快照压缩显微成像系统
单曝光压缩成像（或快照压缩成像）是一种结合硬件编码和软件解码的成像技术，旨在通过一次曝光捕捉到场景的压缩信息，从而实现高效的成像过程。具体来说，这种技术使用了一个光学编码器（如DMD）对场景进行调制，然后通过常规的CCD或CMOS相机捕捉调制后的压缩图像。压缩图像包含了场景的多个信息维度，虽然表面上看起来像是一个低分辨率图像或是与原场景不同的图像，但通过先进的算法（如压缩感知或深度学习技术）对捕捉到的图像进行解码，可以重建出原始场景的高分辨率图像或捕捉到的其他场景特征。单曝光压缩成像的优势在于它能够在一次拍摄中获取大量信息，大幅减少传统成像方法中多次拍摄所需的时间，同时减少了数据存储和传输的压力。特别是在需要高速成像或在动态场景中捕捉瞬时现象时，单曝光压缩成像提供了一种高效而实用的解决方案。双路径快照压缩显微系统（DP-SCM）旨在实现高速、大视场和高分辨率的原位实时成像，可以从单帧压缩图像中重建动态过程，以应对超快激光加工中的监测需求。DP-SCM系统的评估结果表明，其视场达到2mm，横向分辨率为775nm，并能以1000fps的帧率进行成像。在超快激光加工过程中，我们使用DP-SCM系统观察了激光扫描过程，包括样品台的移动（图3）和聚焦飞秒激光的扫描。此外，我们还监测了自组织纳米光栅结构的生长过程（图4），验证了该系统在揭示新材料机制方面的潜力。研究团队提出的双路径快照压缩显微系统（DP-SCM）成功实现了对激光材料加工过程的实时监测。通过实验验证，该系统在2mm视场下达到了775nm的横向分辨率，并在1000fps的成像速度下，从单帧压缩图像中观测到了激光材料加工和自组织周期性条纹结构的原位生长过程。DP-SCM不仅能够适应高速激光加工监测的需求，还通过双路光学设计兼顾了宽视场和高分辨率，有效降低了成本与带宽。这项技术有望成为超快激光材料加工领域的一项重要突破，为高通量成像开辟新的途径。Xiaodong Wang, Miao Cao, Ziyang Chen, Jiao Geng, Ting Luo, Yufei Dou, Xing Liu, Liping Shi, Xin Yuan. In-situ real-time monitoring of ultrafast laser processing using wide-field high-resolution snapshot compressive microscopy[J]. Light: Advanced Manufacturing 5, 29(2024).
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