跻身“2019中国光学十大进展” 西安交大团队超快成像术取得突破性进展

编者按:本文来自“西安日报”，作者：张潇；36氪经授权转载。

“未来应用这项技术，将会革命性地推进科学进步。比如有望搞清楚光合作用叶绿素吸收光子、光能变成化学能的过程，那么能源转化率就会高很多。再比如，如果可以研究清楚新冠病毒在分子层面的瞬态作用机理，对于抗疫都会有帮助。” 西安交通大学陈烽教授日前接受记者采访时表示。

2020年3月20日，中国激光杂志社发布了“2019中国光学十大进展”，西安交通大学电信学部陈烽教授团队的“压缩超快时间光谱成像术”成果入选。据悉，这是该研究团队继入选“2015中国光学十大进展”之后第二次获得殊荣。

超快过程研究的“前世今生”

“这种新型的‘压缩超快时间光谱成像术’（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。”陈烽是西安交通大学二级教授，博士生导师；1999年任中国科学院瞬态光学技术国家重点实验室研究员和学科带头人，2002年任西安交通大学教授、博士生导师，主要研究方向包括：超快光子学和微纳光子学、飞秒激光微纳制造、激光仿生微纳制造等。多年来，他在上述领域开展了大量原创性研究，在国际著名学术期刊上发表论文200余篇，ESI高被引论文8篇，封面文章16篇。

人眼的视觉暂留时间一般为0.1-0.4秒。当变化过程短于0.1秒时，受眼睛时间分辨率的限制，我们就无法看清变化过程。比如要看清高速奔跑的骏马四脚是否同时离地，就需要毫秒时间分辨能力，这就需要高速摄影技术。影片中的高速摄影，是使用高速摄像机把转瞬即逝的快速变化过程记录下来，并以慢动作放映，从而可以显示肉眼看不见的瞬间动作。要想观测超高速现象或超快过程，就需要更快的摄影技术，这有赖于快速探测手段和技术的革命性进步。

据介绍，上世纪60年代激光的发明，推动了超高速摄影技术的诞生和发展。1999年，诺贝尔化学奖授给了埃及出生的科学家艾哈迈德·泽维尔（Ahmed H.Zewail），以表彰他应用超短激光（飞秒激光）闪光成像技术观测到分子中的原子在化学反应中如何运动，从而有助于人们理解和预期重要的化学反应，为整个化学及其相关科学带来了一场革命。 2001年，奥地利科学家首次实现了阿秒光脉冲的产生，宣告超快科学进入了阿秒时代。

多方面突破现有超快成像技术

一直以来，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。

“1999年诺贝尔化学得奖者Ahmed H. Zewail基于抽运-探测（Pump-probe）技术提出的飞秒化学，使人们对于超快过程的研究延伸到了飞秒尺度。但由于抽运-探测（Pump-probe）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。”陈烽表示，他所在的团队与香港城市大学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”，通过单次曝光即可实现对瞬态过程的完整记录，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。

陈烽介绍，该技术是探索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等。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。超快压缩成像的超高帧率可以达到3.85THz（万亿赫兹）和亚纳米级超高光谱分辨率。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皮秒的超快物理过程。

该成果使得长时间、宽光谱地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，记录超短脉冲激光作用材料时的各种瞬态非线性过程、先进材料微结构中的瞬态光子和声子传播、记录神经元中电信号的传播过程等。该研究成果发表在国际顶尖物理期刊《物理评论快报》上。