西安交通大學(xué)電信學(xué)部陳烽教授團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)王立代博士團(tuán)隊(duì)合作，提出一種全新“壓縮超快時(shí)間光譜成像術(shù)”(簡(jiǎn)稱超快壓縮成像)，在幀率、幀數(shù)和精細(xì)光譜成像等方面突破了現(xiàn)有超快成像技術(shù)的局限，成功捕獲到光子的運(yùn)動(dòng)。相關(guān)成果近日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

西安交大科研人員提出的這種新型的超快成像技術(shù)是探知各種未知瞬態(tài)過程的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，如化學(xué)反應(yīng)過程中原子的運(yùn)動(dòng)、超短激光脈沖作用材料時(shí)發(fā)生的瞬態(tài)非線性過程等。超快壓縮成像通過對(duì)飛秒激光進(jìn)行數(shù)字編碼，并在時(shí)間和光譜維度上進(jìn)行壓縮和解壓縮，從而能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速度、高幀數(shù)以及高光譜分辨率。超快壓縮成像的超高幀率可以達(dá)到3.85THz(1THz=1012Hz)，和亞納米級(jí)超高光譜分辨率。研究人員通過這種超快壓縮成像技術(shù)實(shí)時(shí)記錄了飛秒激光脈沖的傳播、反射以及自聚焦等持續(xù)時(shí)間達(dá)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(shí)間—光譜相互耦合原理，它的實(shí)現(xiàn)主要是通過3個(gè)關(guān)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(zhǎng)在時(shí)域上拉伸，形成一個(gè)叫做“啁啾脈沖”的高速時(shí)間序列。第二步是這個(gè)拉伸的時(shí)間序列與測(cè)量的瞬態(tài)過程進(jìn)行相互作用。這樣，不同的波長(zhǎng)成分就可以記錄超快過程不同的時(shí)間信息。進(jìn)而對(duì)這一時(shí)間序列進(jìn)行二維的空間編碼，并利用色散將不同的光譜信息壓縮在一個(gè)二維平面上并采用CCD采集，最終利用算法將一幅二維的CCD圖像重建成具有空間和時(shí)間維度的多幅超快圖像。

該成果使得長(zhǎng)時(shí)間、寬光譜地記錄飛秒影像成為可能，將推動(dòng)更多涉及超快過程的極端物理、化學(xué)、材料和生物學(xué)的研究。

此外，《自然》(Nature)以研究亮點(diǎn)(Research Highlights)形式對(duì)該研究成果進(jìn)行了專題報(bào)道，文章標(biāo)題為《4萬(wàn)億幀每秒的速度去捕捉光的運(yùn)動(dòng)》。同時(shí)，美國(guó)物理學(xué)會(huì)官網(wǎng)《APS物理》(APS Physics)也做了焦點(diǎn)專題報(bào)道，文章標(biāo)題為《聚焦：4萬(wàn)億幀頻的電影》。西安交通大學(xué)與香港城市大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生陸宇為本文第一作者，西安交通大學(xué)陳烽教授和香港城市大學(xué)王立代博士為本文共同通訊作者。西安交通大學(xué)是本文第一作者單位。

《自然》報(bào)道鏈接：

https://www.nature.com/articles/d41586-019-01625-5

美國(guó)物理學(xué)會(huì)官網(wǎng)《APS 物理》報(bào)道鏈接：

https://physics.aps.org/articles/v12/55

《物理評(píng)論快報(bào)》原文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.193904