陳烽教授（左）正在和團隊一起工作。 （受訪者供圖）
■西安報業全媒體記者 張瀟
“未來應用這項技術，將會革命性地推進科學進步。比如有望搞清楚光合作用葉綠素吸收光子、光能變成化學能的過程，那么能源轉化率就會高很多。再比如，如果可以研究清楚新冠病毒在分子層面的瞬態作用機理，對于抗疫都會有幫助。” 西安交通大學陳烽教授日前接受記者采訪時表示。
2020年3月20日，中國激光雜志社發布了“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。據悉，這是該研究團隊繼入選“2015中國光學十大進展”之后第二次獲得殊榮。
超快過程研究的“前世今生”
“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、飛秒激光微納制造、激光仿生微納制造等。多年來，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余篇，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。當變化過程短于0.1秒時，受眼睛時間分辨率的限制，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，并以慢動作放映，從而可以顯示肉眼看不見的瞬間動作。要想觀測超高速現象或超快過程，就需要更快的攝影技術，這有賴于快速探測手段和技術的革命性進步。
據介紹，上世紀60年代激光的發明，推動了超高速攝影技術的誕生和發展。1999年，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），以表彰他應用超短激光（飛秒激光）閃光成像技術觀測到分子中的原子在化學反應中如何運動，從而有助于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沖的產生，宣告超快科學進入了阿秒時代。
多方面突破現有超快成像技術
一直以來，如何通過一種全新的超快成像手段，同時獲得超高時間分辨率、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基于抽運-探測（Pump-probe）技術提出的飛秒化學，使人們對于超快過程的研究延伸到了飛秒尺度。但由于抽運-探測（Pump-probe）技術每次只能獲取超快過程的一個片段，所以僅適于觀察穩定且可重復的超快過程。”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、超短激光脈沖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激光進行數字編碼，并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。超快壓縮成像的超高幀率可以達到3.85THz（萬億赫茲）和亞納米級超高光譜分辨率。研究人員通過這種超快壓縮成像技術，實時記錄了飛秒激光脈沖的傳播、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，記錄超短脈沖激光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。該研究成果發表在國際頂尖物理期刊《物理評論快報》上。
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