西安交大提出压缩超快时间光谱成像技术每秒4万亿帧可捕获光子珠宝盒

06-03

新型的超快成像技术是探知各种未知瞬态过程的一项关键核心技术。5月2日记者从西安交通大学获悉，该校电信学部陈烽教授团队与香港城市大学王立代博士团队合作，提出一种全新“压缩超快时间光谱成像术”（简称超快压缩成像），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，成功捕获到光子的运动。相关成果近日发表在《物理评论快报》上。

西安交大科研人员提出的这种新型的超快成像技术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（1THz=1012Hz），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。

超快压缩成像的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3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，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。

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。

此外，《自然》（Nature）以研究亮点（Research Highlights）形式对该研究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）也做了焦点专题报道，文章标题为《聚焦：4万亿帧频的电影》。

西安交通大学与香港城市大学联合培养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市大学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。

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