作者:陈彬 来源:中国科学报 发布时间:2020/3/28 9:56:55
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西安交大团队:打破超快成像技术的局限

 

近日,中国激光杂志社发布了“2019中国光学十大进展”。西安交通大学电信学部教授陈烽团队的“压缩超快时间光谱成像术”成果入选“2019中国光学十大进展”。这也是该研究团队在入选“2015中国光学十大进展”之后的第二次入选。

“这种新型的‘压缩超快时间光谱成像术’(CUST),在帧率、帧数和精细光谱成像等方面,均突破了现有超快成像技术的局限。”陈烽介绍说。

在日常摄影中,照相机的闪光灯能在1/1000秒内“定格时间”——这一速度快到可以捕捉到棒球击球手迅速挥臂击球的动作,但对于更快的变化过程,比如化学反应过程、光合作用能量传递过程等,传统的闪光灯就显得无能为力了。如果相机闪光灯速度太慢,就会漏掉这些转瞬即逝的镜头。因此,科学家们一直努力钻研,力求研制更细微、更精确的“时间窗口”,用其观察物质世界。相关方面的研究也被称作超快过程研究。

上世纪60年代,激光的发明推动了超高速摄影技术的诞生和发展。上世纪80年代末,美国科学家艾哈迈德?泽维尔(Ahmed H.Zewail)率先利用当时最先进的飞秒激光脉冲,研究发生化学反应时化学键的断裂和形成过程,为整个化学及其相关科学带来了一场革命。他也藉此荣膺1999年诺贝尔化学奖。

陈烽团队与香港城市大学相关团队合作,提出了一种全新的“压缩超快时间光谱成像术”,通过单次曝光即可实现对瞬态过程的完整记录,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。

陈烽介绍,该技术是探索各种未知瞬态过程的关键核心技术,如化学反应过程中原子的运动、超短激光脉冲作用材料时发生的瞬态非线性过程等。“超快压缩成像通过对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,能够同时实现高速度、高帧数以及高光谱分辨率。超快压缩成像的超高帧率可以达到3.85THz(1THz=10^12Hz,万亿赫兹),和亚纳米级超高光谱分辨率。”陈烽说,研究人员通过这种超快压缩成像技术,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33皮秒的超快物理过程。

“我们未来应用这项技术,将会革命性地推进科学进步。比如,我们如果可以搞清楚光合作用中,叶绿素吸收光子以及光能变成化学能的过程,能源转化率就会高很多。再比如,如果我们可以研究清楚新冠病毒在分子层面的瞬态作用机理,对于对抗疫情都有帮助。”陈烽举例说。

陈烽表示,该成果使得长时间、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极端物理、化学、材料和生物学的研究。

 
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