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(2)

科学上解释，就是分子可能出现简单的线性吸收，只吸收1个光子就被激发了，它下次可能要吸收两个光子、三个光子才激发起来，存在一个概率问题，无法保证每次都相同。

此外，如果抽运-探测所用的激光在第一次探测时就可能会改变、甚至破坏样本结构，那下次探测时出现就并非重复的结果，而是累加的结果。

“所以一般情况下，飞秒化学主要用于液体，因为液体可以循环、可以补充。”陈烽总结道。“但是固体样品就不太适合了，固体样品不同区域之间可能不均匀，必须要反复去‘打’同一个区域。”

如鸟鸣一般变化的光

当几十年的技术走到极限，陈烽开辟了一条岔道：用频率信息转换为时间信息，从时空变化走向时频变化。

要理解时频变化，我们首先要认识一种名为“啁啾脉冲”的特殊激光。

光是有不同的频率，对应着不同的波长。更直观一些，可以理解为不同的颜色，如红橙黄绿青蓝紫七色可见光就是频率依次增加，波长依次变短。

假设有一束光，从头到尾，从短波到长波，从紫到红，呈现一个均匀的变化。可以想象，把这样一束光打到物体上，必然是短波先到达，随后长波才跟上。

这与鸟的啁啾声具有相同的频率结构：开始时频率高，结束时频率低。

2018年的诺贝尔物理学奖就与奇妙的“啁啾脉冲”相关。不过，诺奖研究解决的问题是如何把“啁啾脉冲”先从时间上展宽，放大后再压缩，将单个激光脉冲的功率放大到超过全世界所有发电厂的总和。

同一把“金钥匙”，陈烽想到的是用它来标记时间。

既然一束“啁啾脉冲”的“颜色”表现出先来后到的区别，那么不同颜色的光就对应着不同的时刻。例如紫光是1，蓝光是2……

“这样好处是什么？曝光一次就能记录下所有的信息。”陈烽说道。

剩下的，就是利用一种已有的压缩感知技术，在CCD（电荷耦合器件）上压缩空间、光谱和时间信息，最后通过算法来解压缩获得信息，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。

超快时间、宽光谱地记录飞秒影像，就此成为可能。

分辨率改变认知

陈烽团队的这套设备，目前在形态上还很难说是一台“相机”。

在一个颇具规模的平台上，堆放了很多光学透镜、棱镜、光栅之类的部件，需要懂超快光学原理的人去调节。

为了让更多领域的科研人员也能上手超快相机，陈烽团队计划将其集成到一个机箱里，外观上像是真正的相机，功能最好能通过软件操作。

“我们尝试在未来2到3年内，把它变成一个比较稳定的仪器。”他说道。这其中当然也包括很多工程问题，比如器件材料随温度变化后产生了轻微的形变，该如何解决。

每秒4万亿帧，到底能“解锁”什么样前所未有的图像？

以陈烽本人长期从事的超快光子学研究为例，用飞秒激光和材料进行相互作用后，材料可能会变化，呈现新奇的特性。

比如金属材料，有些变出抗生锈的能力，有些出现荷叶一样的超疏水现象。科学家们可依此制作尺度很小的功能性表面或器件。

知其然，使其然，压缩超快时间光谱成像术则可能拍下其中奥妙的变化过程，让我们知其所以然。

在生物学领域，超快相机还可用来记录神经元中电信号的传播过程等。

“我们现在的未知世界，一边是极端宏大的宇宙，一边是极端小的微观世界。而对微观世界的了解还不如对宇宙的了解。”陈烽说道。“很关键的是，微观的过程一般都是超快的过程。”

电子的行为甚至达到了亚飞秒、阿秒（比飞秒还要小1000倍）级别，时间分辨率还需要进一步提升

在空间分辨率上，光学镜头能看到微米以上的结构，无法看到纳米结构。空间分辨率对于芯片等信息器件的关键性，不言而喻。

陈烽认为人类对于分辨率的追求是无止境的。从本质上，分辨率令我们看到未知世界，许多技术革命从这些新打开的微小缝隙上萌发。

更多阅读

 

2019年度中国光学十大进展揭晓