中国光学十大进展｜每秒4万亿帧相机，把光拍成黑客帝国子弹

 
 
中国光学十大进展｜每秒4万亿帧相机，把光拍成黑客帝国子弹  
 

《黑客帝国》慢镜头里的那些子弹，仍在不少人的脑海里飞行，这种电影技术被称作“子弹时间”。

不过，特效始终是特效，手枪子弹在无风条件下的速度也不过每秒数百米。西安交通大学教授陈烽领导的飞秒激光微纳制造实验室，却以突破性的分辨率和帧频，真实地将光的运动过程记录了下来。

由中科院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办的中国激光杂志社近日发布2019年度中国光学十大进展，陈烽团队的“压缩超快时间光谱成像术”（CUST）作为基础研究类成果入选。

通俗地理解，这等于是一台每秒4万亿帧的超快相机，光谱分辨率达到了亚纳米级（1米=10的9次方纳米），刷新超快成像记录。

传统的飞秒化学技术，以距离间隔来制造时间间隔，虽然也能分解定格微观世界里原子、分子的快速运动，但每次“按快门”只能截取一个片段，帧数难以提高，过程还原也就大为受限。

“把时间信息转换为空间信息的技术已经达到了极限，”3月25日，陈烽在接受澎湃新闻（）记者专访时表示，“我们必须要找到一个新的思路。”

他找到的新思路，是以光的不同“颜色”（频率）来标记时间信息。为此，陈烽需要一束神奇的激光，“颜色”从头到尾如彩虹般变化，一次曝光就能获得过程中的所有信息。

以空间换时间

以空间信息换取时间信息的拍摄理念，最早可以追溯到一个“无聊”辩题：马在奔跑的过程中，四蹄会否同时离地？

1878年，英国摄影师迈布里奇在赛道上拦了12根线，每根线连着一台相机的快门。这样，虽然单台相机的快门速度赶不上赛马，但奔跑的马匹会依次触发12台相机，马蹄的运动过程由此分解出来。

不过，靠这种方法不可能无限细分下去。所有的电子器件探测器的速度都存在一个物理学极限，称为电子学瓶颈。“电子学有很多物理效应，使得时间分辨率不能超过纳秒水平（1秒=10的9次方纳秒=10的15次方飞秒），要到纳秒以下，只能通过光子的能力。” 陈烽介绍道。

1980年代，加州理工学院教授艾哈迈德•泽维尔（Ahmed H. Zewail）基于抽运-探测（Pump-probe）技术提出了飞秒化学，使人们对于超快过程的研究延伸到了飞秒尺度。

抽运-探测的原理，可以理解为将那匹赛马换成了一束激光，让它重复跑上多次，拦在跑道上的只有一根“线”，每次都移动纳米级别的距离，用光速来除一下，正好对应着飞秒级别的时间间隔。

我们想象把一个化学反应的过程分成100份，在一个电动平移台上，每次移动一定的微小距离，拍摄100次，就能拼接成一个时间光谱图像。

用这种方法，人类首次像看足球慢镜头回放一样，看到了化学反应中原子和分子的运动。泽维尔凭此成为了首位获得诺贝尔奖者的阿拉伯裔科学家。

“人不能两次踏进同一条河流”

发展到今天，飞秒化学还是依赖着相同的原理，已经出现了技术瓶颈。

陈烽将这瓶颈概括为两方面。

首先，就是一个事件能截取的帧数很少，可能漏掉关键的中间信息。

其次，一次一帧意为着想要得到多少帧，就必须重复多少次一模一样的实验。抛开做实验本身的资金和时间成本不论，这个假设也充满限制，在科学上是难以严格成立的。

“人不能两次踏进同一条河流。”陈烽引用了古希腊哲学家赫拉克利特的名言。