日常攝影中，照相機(jī)的閃光燈能在1/1000秒內(nèi)“定格時(shí)間”——這個(gè)速度快到可以捕捉到棒球擊球手迅速揮臂擊球的動(dòng)作，但對(duì)于如化學(xué)反應(yīng)過程、光合作用能量傳遞過程等，更快的變化過程就顯得無能為力，從事這方面的研究被稱作超快過程研究。

“2019中國光學(xué)十大進(jìn)展”日前揭曉，西安交通大學(xué)電信學(xué)部陳烽教授團(tuán)隊(duì)的“壓縮超快時(shí)間光譜成像術(shù)”成果入選，這群科研精英因此也被稱為“長大本事會(huì)算時(shí)間賬的人”。

超快過程研究的“前世今生”

激光打孔、用作“手術(shù)刀”的飛秒激光近視手術(shù)……是人們可以接觸到的激光應(yīng)用。

20世紀(jì)60年代激光的發(fā)明推動(dòng)了超高速攝影技術(shù)的誕生和發(fā)展。80年代末，美國科學(xué)家Zewail率先利用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的飛秒（10^-15秒）激光脈沖去研究發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)化學(xué)鍵的斷裂和形成過程，并借此榮膺1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

1999年，自然科學(xué)的桂冠諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授給了埃及出生的科學(xué)家艾哈邁德?澤維爾，以表彰他應(yīng)用超短激光（飛秒激光）閃光成像技術(shù)觀測(cè)到分子中的原子在化學(xué)反應(yīng)中如何運(yùn)動(dòng)，從而有助于人們理解和預(yù)期重要的化學(xué)反應(yīng)，為整個(gè)化學(xué)及其相關(guān)科學(xué)帶來了一場(chǎng)革命。他的實(shí)驗(yàn)使用了超短激光技術(shù)，即飛秒光學(xué)技術(shù)。猶如電視節(jié)目通過慢動(dòng)作來觀看足球賽精彩鏡頭那樣，他的研究成果可以讓人們通過“慢動(dòng)作”觀察處于化學(xué)反應(yīng)過程中的原子與分子的轉(zhuǎn)變狀態(tài)，從根本上改變了我們對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的認(rèn)識(shí)。澤維爾通過“對(duì)基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)的先驅(qū)性研究”，使人類得以研究和預(yù)測(cè)重要的化學(xué)反應(yīng)，澤維爾因而給化學(xué)以及相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域帶來了一場(chǎng)革命。

2001年，奧地利科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了阿秒光脈沖的產(chǎn)生，宣告超快科學(xué)進(jìn)入了阿秒時(shí)代。

放分棄秒只爭飛

如何通過一種全新的超快成像手段，同時(shí)獲得超高時(shí)間分辨率、超高幀頻和超高光譜分辨，實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)瞬態(tài)過程完整準(zhǔn)確的記錄，是超快過程研究領(lǐng)域長期廣泛關(guān)注的重要科學(xué)問題。

陳烽教授團(tuán)隊(duì)揭示出超快壓縮成像的基本原理即飛秒激光時(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在時(shí)域上拉伸，形成一個(gè)叫作“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（電荷耦合器件）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。

“1999年諾貝爾化學(xué)得獎(jiǎng)?wù)逜hmed H. Zewail基于抽運(yùn)-探測(cè)技術(shù)提出的飛秒化學(xué)，使人們對(duì)于超快過程的研究延伸到了飛秒尺度。但由于該技術(shù)每次只能獲取超快過程的一個(gè)片段，所以僅適于觀察穩(wěn)定且可重復(fù)的超快過程?！标惙榻淌诤退I(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)王立代博士團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種全新的“壓縮超快時(shí)間光譜成像術(shù)”。

作為探索各種未知瞬態(tài)過程的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，科研人員通過單次曝光即可實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)過程的完整記錄，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。其超高幀率可以達(dá)到3.85THz（1THz=10^12Hz,萬億赫茲），和亞納米級(jí)超高光譜分辨率，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，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)記錄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。

我的未來不是夢(mèng)

近年來，陳烽教授團(tuán)隊(duì)面向國家重大需求，瞄準(zhǔn)超快光子技術(shù)、飛秒激光應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)難題和卡脖子問題進(jìn)行科研攻關(guān)，先后提出了壓縮超快時(shí)間光譜成像術(shù)、硬脆性材料飛秒激光三維微納制造方法、飛秒激光濕法刻蝕微納制造方法、飛秒激光仿生微納制造、基于飛秒激光的三維金屬微納結(jié)構(gòu)制造方法等，由于在超快光子技術(shù)、飛秒激光應(yīng)用領(lǐng)域的開創(chuàng)性研究，得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重大科學(xué)儀器開發(fā)專項(xiàng)、國家863計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

國際頂尖物理期刊《物理評(píng)論快報(bào)》報(bào)道了該成果，英國《自然》以研究亮點(diǎn)形式對(duì)此項(xiàng)成果進(jìn)行了專題報(bào)道，美國物理學(xué)會(huì)官網(wǎng)《APS物理》也對(duì)此做了焦點(diǎn)專題報(bào)道。報(bào)道稱其使得長時(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。例如，記錄超短脈沖激光作用材料時(shí)的各種瞬態(tài)非線性過程、先進(jìn)材料微結(jié)構(gòu)中的瞬態(tài)光子和聲子傳播、記錄神經(jīng)元中電信號(hào)的傳播過程等。

“我們未來應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，將會(huì)革命性的推進(jìn)科學(xué)進(jìn)步。比如我們有望可以搞清楚光合作用葉綠素吸收光子，光能變成化學(xué)能的過程，那么能源轉(zhuǎn)化率就會(huì)高很多。再比如，如果我們可以研究清楚新冠病毒在分子層面的瞬態(tài)作用機(jī)理，對(duì)于我們對(duì)抗疫情都有幫助?！标惙榻淌谂e例說。