​西安交大学者成功实现“追光梦” 用超快成像技术捕获光子轨迹

编者按：本文来自“西安日报”，作者：张潇  姜泓；36氪经授权转载。

光速，光子在真空中的速度，是人类已知宇宙中存在的最快速度。捕获光子的轨迹，一直是科学家们的梦想。西安交大学者通过一种新型的超快成像技术，日前成功捕获到光子的运动。

上述研究成果近期发表在国际顶尖物理期刊《物理评论快报》；5月23日出版的英国《自然》(Nature)以研究亮点形式，对此项成果进行了专题报道，文章标题为《4万亿帧每秒的速度去捕捉光的运动》。同时，美国物理学会官网《APS物理》（APS Physics）也就此做了焦点专题报道。

西安交大电信学部陈烽教授团队，与香港城大王立代博士团队合作，提出了一种全新的“压缩超快时间光谱成像术”（简称超快压缩成像，英文简称CUST），在帧率、帧数、和精细光谱成像等方面突破了现有超快成像技术的局限。超快压缩成像通过对飞秒激光进行数字编码，并在时间和光谱维度上进行压缩和解压缩，从而能够同时实现高速度、高帧数以及高光谱分辨率。研究人员通过这种超快压缩成像技术，实时记录了飞秒激光脉冲的传播、反射以及自聚焦等持续时间达到33皮秒（1皮秒等于一万亿分之一秒）的超快物理过程。

据介绍，超快成像是探知各种未知瞬态过程的一项关键核心技术，如化学反应过程中原子的运动、超短激光脉冲作用材料时发生的瞬态非线性过程、极端瞬态物理过程等等。1999年诺贝尔化学奖获得者Ahmed H. Zewail提出的飞秒（千万亿分之一秒）化学，使人们对于超快过程的研究延伸到了飞秒尺度。但由于该技术每次只能获取超快过程的一个片段，所以仅适于观察稳定且可重复的超快过程。如何通过一种全新的超快成像手段，同时获得超高时间分辨率、超高帧频和超高光谱分辨，实现对一个瞬态过程完整准确的记录，是超快过程研究领域广泛关注的重要科学问题。

陈烽教授团队提出的超快压缩成像，其基本原理是飞秒激光时间-光谱相互耦合原理，它的实现主要是通过三个关键步骤，首先是利用飞秒激光丰富的频率成分，通过色散将不同的波长在时域上拉伸，形成一个叫做“啁啾脉冲”的高速时间序列。第二步是这个拉伸的时间序列与测量的瞬态过程进行相互作用。这样，不同的波长成分就可以记录超快过程不同的时间信息。进而对这一时间序列进行二维的空间编码，并利用色散将不同的光谱信息压缩在一个二维平面上并采用CCD采集，也就是利用CCD图像传感器对图像信息进行采集。最终利用算法将一幅二维的CCD图像重建成具有空间和时间维度的多幅超快图像。

这一研究成果使得长时间、宽光谱的记录飞秒影像成为可能，将推动更多涉及超快过程的极端物理、化学、材料和生物学的研究。例如，人类大脑中的神经元接收来自数千个其他细胞的电信号,称为树突的长神经延伸在整合所有信息中发挥关键作用,因此细胞可以适当地做出反应。该研究成果有望记录神经元中电信号的传播过程等。

西安交通大学与香港城大联合培养的博士生陆宇为本文第一作者，西安交通大学陈烽教授和香港城大王立代博士为本文共同通讯作者。西安交通大学是本文第一作者单位。这项工作得到国家自然科学基金、微纳制造与测试技术国际合作联合实验室、香港特别行政区研究资助局以及香港城市大学的资助。