「我們未來應用這項技術，將會革命性地推進科學進步。比如，我們有望可以搞清楚光合作用葉綠素吸收光子，光能變成化學能的過程，那麼能源轉化率就會高很多。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作用機理，對於我們對抗疫情都有幫助。」 3月25日，西安交通大學電信學部陳烽教授表示。
2020年3月20日，中國雷射雜誌社發布了「2019中國光學十大進展」。西安交通大學電信學部陳烽教授團隊的「壓縮超快時間光譜成像術」成果入選「2019中國光學十大進展」。這也是該研究團隊在入選「2015中國光學十大進展」之後的第二次入選。
超快過程研究的「前世今身」
「這種新型的『壓縮超快時間光譜成像術』（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。」陳烽介紹。他是西安交通大學二級教授，博士生導師。1999年任中國科學院瞬態光學技術國家重點實驗室研究員和學科帶頭人，2002年任西安交通大學教授、博士生導師。主要研究方向包括：超快光子學和微納光子學、飛秒雷射微納製造、雷射仿生微納製造等。他在上述領域開展了大量原創性研究，在國際著名學術期刊上發表論文200餘篇，ESI高被引論文8篇，封面文章16篇。
人眼的視覺暫留時間一般為0.1-0.4秒，當變化過程短於0.1秒時，受眼睛時間解析度的限制，我們就無法看清變化過程，比如要看清高速奔跑的駿馬四腳是否同時離地就需要毫秒時間分辨能力，這就需要高速攝影技術。影片中的高速攝影是使用高速攝像機把轉瞬即逝的快速變化過程記錄下來，並以慢動作放映，從而可以顯示肉眼看不見的瞬間動作。然而，光電子類高速相機的最大時間分辨能力僅為納秒（10-9秒）， 要想觀測超高速現象或超快過程，就需要更快的攝影技術，這有賴於快速探測手段和技術的革命性進步。
據介紹，上世紀60年代雷射的發明推動了超高速攝影技術的誕生和發展。上世紀80年代末，美國科學家Zewail率先利用當時最先進的飛秒（10^-15秒）雷射脈衝去研究發生化學反應時化學鍵的斷裂和形成過程，並藉此榮膺1999年諾貝爾化學獎。1999年，自然科學的桂冠諾貝爾化學獎授給了埃及出生的科學家艾哈邁德•澤維爾（Ahmed H.Zewail），以表彰他應用超短雷射（飛秒雷射）閃光成相技術觀測到分子中的原子在化學反應中如何運動，從而有助於人們理解和預期重要的化學反應，為整個化學及其相關科學帶來了一場革命。
2001年，奧地利科學家首次實現了阿秒光脈衝的產生，宣告超快科學進入了阿秒時代。
多方面突破了現有超快成像技術
將革命性的推進科學進步
一直以來如何通過一種全新的超快成像手段，同時獲得超高時間解析度、超高幀頻和超高光譜分辨，實現對一個瞬態過程完整準確的記錄，是超快過程研究領域廣泛關注的重要科學問題。
「1999年諾貝爾化學得獎者Ahmed H. Zewail基於抽運-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。但由於抽運-探測（Pump-probe）技術每次只能獲取超快過程的一個片段，所以僅適於觀察穩定且可重複的超快過程。」陳烽表示，他所在的團隊與香港城市大學王立代博士團隊合作，提出了一種全新的「壓縮超快時間光譜成像術」，通過單次曝光即可實現對瞬態過程的完整記錄，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。
陳烽介紹，該技術是探索各種未知瞬態過程的一項關鍵核心技術，如化學反應過程中原子的運動、超短雷射脈衝作用材料時發生的瞬態非線性過程等。超快壓縮成像通過對飛秒雷射進行數字編碼，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、高幀數以及高光譜解析度。超快壓縮成像的超高幀率可以達到3.85THz（1THz=10^12Hz,萬億赫茲），和亞納米級超高光譜解析度。研究人員通過這種超快壓縮成像技術實時記錄了飛秒雷射脈衝的傳播、反射以及自聚焦等持續時間達到33皮秒的超快物理過程。
該成果使得長時間、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極端物理、化學、材料和生物學的研究。例如，記錄超短脈衝雷射作用材料時的各種瞬態非線性過程、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。
上述研究成果發表在國際頂尖物理期刊《物理評論快報》上。（文/西安報業全媒體記者 張瀟 圖片由受訪者提供）
編輯：融媒體