西安交大团队：打破超快成像技术的局限
西安交大团队：打破超快成像技术的局限
近日，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教授陈烽团队的“压缩超快时间光谱成像术”成果入选“2019中国光学十大进展”。这也是该研究团队在入选“2015中国光学十大进展”之后的第二次入选。
“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，均突破了现有超快成像技术的局限。”陈烽介绍说。
在日常摄影中，照相机的闪光灯能在1/1000秒内“定格时间”——这一速度快到可以捕捉到棒球击球手迅速挥臂击球的动作，但对于更快的变化过程，比如化学反应过程、光合作用能量传递过程等，传统的闪光灯就显得无能为力了。如果相机闪光灯速度太慢，就会漏掉这些转瞬即逝的镜头。因此，科学家们一直努力钻研，力求研制更细微、更精确的“时间窗口”，用其观察物质世界。相关方面的研究也被称作超快过程研究。
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。上世纪80年代末，美国科学家艾哈迈德?泽维尔（Ahmed H.Zewail）率先利用当时最先进的飞秒激光脉冲，研究发生化学反应时化学键的断裂和形成过程，为整个化学及其相关科学带来了一场革命。他也藉此荣膺1999年诺贝尔化学奖。
陈烽团队与香港城市大学相关团队合作，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，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=10^12Hz,万亿赫兹），和亚纳米级超高光谱分辨率。”陈烽说，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。
“我们未来应用这项技术，将会革命性地推进科学进步。比如，我们如果可以搞清楚光合作用中，叶绿素吸收光子以及光能变成化学能的过程，能源转化率就会高很多。再比如，如果我们可以研究清楚新冠病毒在分子层面的瞬态作用机理，对于对抗疫情都有帮助。”陈烽举例说。
陈烽表示，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。
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