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

超快速成像技術的發展

超快速成像技術是幫助人類瞭解各種一瞬即逝的物理或化學過程的一項重要技術。1999年諾貝爾化學得獎者、埃及科學家艾哈邁德-賽維爾（Ahmed H. Zewail）早年基於泵浦探測（Pump-probe）技術提出的飛秒化學，使人們對於超快過程的研究延伸到了飛秒尺度。但由於泵浦探測技術每次只能獲得超快過程的一個片段，所以僅能用來觀察穩定和可重複的超快過程。縱使近年來超快成像技術不斷取得突破，利用時間或頻率編碼、壓縮條紋相機等方法，超快成像技術實現了單次曝光下的飛秒成像，但現有技術在飛秒級的最快幀率下僅能夠記錄非常有限的幀數，或者需要用到非常昂貴的條紋相機，限制了其在更廣泛領域的應用。

超快成像技術新突破

最近，由城大生物醫學工程學系助理教授王立代博士的課題組和西安交通大學陳烽教授課題組便共同提出了一種全新的“壓縮超快時間光譜成像術”（compressed ultrafast spectral temporal photography，英文簡稱CUST），在幀率、幀數、和精細光譜成像等方面突破了現有超快成像技術的局限。CUST通過創新的計算光學技術，將飛秒激光進行數位編碼，並在時間和光譜維度上進行壓縮和解壓縮，從而能夠同時實現高速度、高幀數以及高光譜分辨率（注︰光譜分辨率用不同顏色的光分別進行成像，來探測樣品的分子成分，分辨率愈高，愈容易區分相似物質）。

CUST的超高幀率可以達到3.85 THz（1THz=10¹²Hz），並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超高光譜分辨率。通過CUST技術，研究人員即時記錄了飛秒激光脈衝的傳播、反射以及自聚焦等持續時間達到20皮秒（ps , 1ps=10^-12 秒）的超快物理過程。這項研究成果最近於《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發表。

壓縮超快時間光譜成像術的原理

CUST的另一優點是不需要依賴於昂貴的條紋相機，僅需要用到反射鏡、光柵、飛秒激光器、以及CCD相機等普通光學設備，就可以搭建超快成像系統，因而成本較低和更容易普及。

王立代博士解釋，CUST技術是建立在飛秒激光時間-光譜相互耦合的原理之上，同時也採用了計算成像演算法。CUST分為三個步驟，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在時域上拉伸，形成一個叫做“啁啾脈衝”的高速時間序列。第二步是這個時間序列與探索的超快過程進行相互作用，不同的波長成分就可以記錄超快過程不同的時間資訊。接下來CUST對這一時間序列進行二維的空間編碼，並利用色散將不同的光譜資訊壓縮在一個CCD的二維平面上，最終由研究人員利用壓縮感知演算法，可以將一幅二維的CCD圖像重建成具有空間和時間維度的多幅超快圖像。

王立代博士相信，這次研究成果使長時間、寬光譜地記錄飛秒影像成為可能，將推動更多涉及超快過程的物理、化學、材料和生物學的研究，例如，記錄先進材料微結構中的瞬態光子和聲子傳播，記錄神經元中電信號的傳播過程等，而低廉的價格也使得更多的研究機構能夠使用這一技術。

文章的第一作者是香港城市大學與西安交通大學聯合培養博士生陸宇，另一位合作者是香港科技大學的黃子維博士，共同通訊作者是西安交通大學的陳烽教授和城大的王立代博士。這項工作獲得了香港特別行政區研究資助局、香港城市大學以及中國國家自然科學基金的資助。