每秒4萬億幀 我科學家用超快攝像機捕獲光的運動

據科技日報6月3日報道，記者2日從西安交通大學獲悉，該校電信學部陳烽教授團隊與香港城市大學王立代博士團隊合作，提出一種全新“壓縮超快時間光譜成像術”（簡稱超快壓縮成像），在幀率、幀數和精細光譜成像等方面突破了現有超快成像技術的侷限，成功捕獲到光子的運動。相關成果近日發表在《物理評論快報》上。

西安交大科研人員提出的這種新型的超快成像技術是探知各種未知瞬態過程的一項關鍵核心技術，如化學反應過程中原子的運動、超短激光脈衝作用材料時發生的瞬態非線性過程等。超快壓縮成像通過對飛秒激光進行數字編碼，並在時間和光譜維度上進行壓縮和解壓縮，從而能夠同時實現高速度、高幀數以及高光譜分辨率。超快壓縮成像的超高幀率可以達到3.85THz（1THz=10¹²Hz），和亞納米級超高光譜分辨率。研究人員通過這種超快壓縮成像技術實時記錄了飛秒激光脈衝的傳播、反射以及自聚焦等持續時間達到33皮秒的超快物理過程。

超快壓縮成像的基本原理是飛秒激光時間—光譜相互耦合原理，它的實現主要是通過3個關鍵步驟，首先是利用飛秒激光豐富的頻率成分，通過色散將不同的波長在時域上拉伸，形成一個叫做“啁啾脈衝”的高速時間序列。第二步是這個拉伸的時間序列與測量的瞬態過程進行相互作用。這樣，不同的波長成分就可以記錄超快過程不同的時間信息。進而對這一時間序列進行二維的空間編碼，並利用色散將不同的光譜信息壓縮在一個二維平面上並採用CCD採集，最終利用算法將一幅二維的CCD圖像重建成具有空間和時間維度的多幅超快圖像。

該成果使得長時間、寬光譜地記錄飛秒影像成為可能，將推動更多涉及超快過程的極端物理、化學、材料和生物學的研究。