如何記錄超快過程的影像是許多前沿的物理、化學(xué)、以及生物學(xué)研究必需的關(guān)鍵技術(shù)之一。由香港城市大學(xué)（香港城大）聯(lián)同西安交通大學(xué)的一項(xiàng)最新研究，便成功開發(fā)了一種全新的壓縮超快成像技術(shù)，能夠獲得超高幀率和幀數(shù)，突破了現(xiàn)有技術(shù)的局限，為探索飛秒（10^-15秒, fs）時(shí)間尺度的復(fù)雜瞬態(tài)過程提供了重要工具。

超快速成像技術(shù)的發(fā)展

超快速成像技術(shù)是幫助人類了解各種一瞬即逝的物理或化學(xué)過程的一項(xiàng)重要技術(shù)。1999年諾貝爾化學(xué)得獎(jiǎng)?wù)摺＜翱茖W(xué)家艾哈邁德-澤維爾（Ahmed H. Zewail）早年基于泵浦探測(cè)（Pump-probe）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。但由于泵浦探測(cè)技術(shù)每次只能獲得超快過程的一個(gè)片段，所以僅能用來(lái)觀察穩(wěn)定和可重復(fù)的超快過程。縱使近年來(lái)超快成像技術(shù)不斷取得突破，利用時(shí)間或頻率編碼、壓縮條紋相機(jī)等方法，超快成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單次曝光下的飛秒成像，但現(xiàn)有技術(shù)在飛秒級(jí)的最快幀率下僅能夠記錄非常有限的幀數(shù)，或者需要用到非常昂貴的條紋相機(jī)，限制了其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

超快成像技術(shù)新突破

最近，由城大生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系助理教授王立代博士的課題組和西安交通大學(xué)陳烽教授課題組便共同提出了一種全新的“壓縮超快時(shí)間光譜成像術(shù)”（compressed ultrafast spectral temporal photography，英文簡(jiǎn)稱CUST），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。CUST通過創(chuàng)新的計(jì)算光學(xué)技術(shù)，將飛秒激光進(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（注︰光譜分辨率用不同顏色的光分別進(jìn)行成像，來(lái)探測(cè)樣品的分子成分，分辨率越高，越容易區(qū)分相似物質(zhì)）。

CUST的超高幀率可以達(dá)到3.85 THz（1THz=10¹²Hz），并且能夠一次記錄超過60幀的超快影像，和可以獲得亞納米級(jí)超高光譜分辨率。通過CUST技術(shù)，研究人員實(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20皮秒（ps , 1ps=10^-12 秒）的超快物理過程。這項(xiàng)研究成果最近于《物理評(píng)論快報(bào)》 （Physical Review Letters）上發(fā)表。

壓縮超快時(shí)間光譜成像術(shù)的原理

CUST的另一優(yōu)點(diǎn)是不需要依賴于昂貴的條紋相機(jī)，僅需要用到反射鏡、光柵、飛秒激光器、以及CCD相機(jī)等普通光學(xué)設(shè)備，就可以搭建超快成像系統(tǒng)，因而成本較低和更容易普及。

王立代博士解釋，CUST技術(shù)是建立在飛秒激光時(shí)間-光譜相互耦合的原理之上，同時(shí)也采用了計(jì)算成像算法。CUST分為三個(gè)步驟，首先利用飛秒激光的豐富頻率成分，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)時(shí)間序列與探索的超快過程進(jìn)行相互作用，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。接下來(lái)CUST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)CCD的二維平面上，最終由研究人員利用壓縮感知算法，可以將一幅二維的CCD圖像重建成具有空間和時(shí)間維度的多幅超快圖像。

王立代博士相信，這次研究成果使長(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物理、化學(xué)、材料和生物學(xué)的研究，例如，記錄先進(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，而低廉的價(jià)格也使得更多的研究機(jī)構(gòu)能夠使用這一技術(shù)。

文章的第一作者是香港城市大學(xué)與西安交通大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生陸宇，另一位合作者是香港科技大學(xué)的黃子維博士，共同通訊作者是西安交通大學(xué)的陳烽教授和城大的王立代博士。這項(xiàng)工作獲得了香港特別行政區(qū)研究資助局、香港城市大學(xué)以及中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

本文已于 “香港城大研創(chuàng)” 微信公眾號(hào)發(fā)布。
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