超快成像技术新突破 推動探索飞秒过程的研究工作

如何记录超快过程的影像是许多前沿的物理、化学、以及生物学研究必需的关键技术之一。由香港城市大学（香港城大）联同西安交通大学的一项最新研究，便成功开发了一种全新的压缩超快成像技术，能够获得超高帧率和帧数，突破了现有技术的局限，为探索飞秒（10^-15秒, fs）时间尺度的复杂瞬态过程提供了重要工具。

超快速成像技术的发展

超快速成像技术是帮助人类了解各种一瞬即逝的物理或化学过程的一项重要技术。1999年诺贝尔化学得奖者、埃及科学家艾哈迈德-泽维尔（Ahmed H. Zewail）早年基于泵浦探测（Pump-probe）技术提出的飞秒化学，使人们对于超快过程的研究延伸到了飞秒尺度。但由于泵浦探测技术每次只能获得超快过程的一个片段，所以仅能用来观察稳定和可重复的超快过程。纵使近年来超快成像技术不断取得突破，利用时间或频率编码、压缩条纹相机等方法，超快成像技术实现了单次曝光下的飞秒成像，但现有技术在飞秒级的最快帧率下仅能够记录非常有限的帧数，或者需要用到非常昂贵的条纹相机，限制了其在更广泛领域的应用。

超快成像技术新突破

最近，由城大生物医学工程学系助理教授王立代博士的课题组和西安交通大学陈烽教授课题组便共同提出了一种全新的“压缩超快时间光谱成像术”（compressed ultrafast spectral temporal photography，英文简称CUST），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。CUST通过创新的计算光学技术，将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（注︰光谱分辨率用不同颜色的光分别进行成像，来探测样品的分子成分，分辨率越高，越容易区分相似物质）。

CUST的超高帧率可以达到3.85 THz（1THz=10¹²Hz），并且能够一次记录超过60帧的超快影像，和可以获得亚纳米级超高光谱分辨率。通过CUST技术，研究人员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20皮秒（ps , 1ps=10^-12 秒）的超快物理过程。这项研究成果最近于《物理评论快报》 （Physical Review Letters）上发表。

压缩超快时间光谱成像术的原理

CUST的另一优点是不需要依赖于昂贵的条纹相机，仅需要用到反射镜、光栅、飞秒激光器、以及CCD相机等普通光学设备，就可以搭建超快成像系统，因而成本較低和更容易普及。

王立代博士解释，CUST技术是建立在飞秒激光时间-光谱相互耦合的原理之上，同时也采用了计算成像算法。CUST分为三个步骤，首先利用飞秒激光的丰富频率成分，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。第二步是这个时间序列与探索的超快过程进行相互作用，不同的波长成分就可以记录超快过程不同的时间信息。接下来CUST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CCD的二维平面上，最终由研究人员利用压缩感知算法，可以将一幅二维的CCD图像重建成具有空间和时间维度的多幅超快图像。

王立代博士相信，这次研究成果使长时间、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物理、化学、材料和生物学的研究，例如，记录先进材料微结构中的瞬态光子和声子传播，记录神经元中电信号的传播过程等，而低廉的价格也使得更多的研究机构能够使用这一技术。

文章的第一作者是香港城市大学与西安交通大学联合培养博士生陆宇，另一位合作者是香港科技大学的黄子维博士，共同通讯作者是西安交通大学的陈烽教授和城大的王立代博士。这项工作获得了香港特别行政区研究资助局、香港城市大学以及中国国家自然科学基金的资助。

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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