日常攝影中，照相機的閃光燈能在1/1000秒內“定格時間”——這個速度快到可以捕捉到棒球擊球手迅速揮臂擊球的動作，但對于如化學反應過程、光合作用能量傳遞過程等，更快的變化過程就顯得無能為力，從事這方面的研究被稱作超快過程研究。

“2019中國光學十大進展”日前揭曉，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，這群科研精英因此也被稱為“長大本事會算時間賬的人”。

超快過程研究的“前世今生”

激光打孔、用作“手術刀”的飛秒激光近視手術……是人們可以接觸到的激光應用。

20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。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）激光脈沖去研究發生化學反應時化學鍵的斷裂和形成過程，并借此榮膺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，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。他的實驗使用了超短激光技術，即飛秒光學技術。猶如電視節目通過慢動作來觀看足球賽精彩鏡頭那樣，他的研究成果可以讓人們通過“慢動作”觀察處于化學反應過程中的原子與分子的轉變狀態，從根本上改變了我們對化學反應過程的認識。澤維爾通過“對基礎化學反應的先驅性研究”，使人類得以研究和預測重要的化學反應，澤維爾因而給化學以及相關科學領域帶來了一場革命。

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。

放分棄秒只爭飛

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長期廣泛關注的重要科學問題。

陳烽教授團隊揭示出超快壓縮成像的基本原理即飛秒激光時間—光譜相互耦合原理，它的實現主要是通過3個關鍵步驟，首先是利用飛秒激光豐富的頻率成分，通過色散將不同的波長在時域上拉伸，形成一個叫作“啁啾脈沖”的高速時間序列。第二步是這個拉伸的時間序列與測量的瞬態過程進行相互作用。這樣，不同的波長成分就可以記錄超快過程不同的時間信息，進而對這一時間序列進行二維的空間編碼，并利用色散將不同的光譜信息壓縮在一個二維平面上并采用CCD（電荷耦合器件）采集，最終利用算法將一幅二維的CCD圖像重建成具有空間和時間維度的多幅超快圖像。

“1999年諾貝爾化學得獎者Ahmed H. Zewail基于抽運-探測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。但由于該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。”陳烽教授和他所領銜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”。

作為探索各種未知瞬態過程的一項關鍵核心技術，科研人員通過單次曝光即可實現對瞬態過程的完整記錄，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。其超高幀率可以達到3.85THz（1THz=10^12Hz,萬億赫茲），和亞納米級超高光譜分辨率，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，實現了實時記錄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。

我的未來不是夢

近年來，陳烽教授團隊面向國家重大需求，瞄準超快光子技術、飛秒激光應用關鍵技術難題和卡脖子問題進行科研攻關，先后提出了壓縮超快時間光譜成像術、硬脆性材料飛秒激光三維微納制造方法、飛秒激光濕法刻蝕微納制造方法、飛秒激光仿生微納制造、基于飛秒激光的三維金屬微納結構制造方法等，由于在超快光子技術、飛秒激光應用領域的開創性研究，得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、國家重大科學儀器開發專項、國家863計劃等項目的資助。

國際頂尖物理期刊《物理評論快報》報道了該成果，英國《自然》以研究亮點形式對此項成果進行了專題報道，美國物理學會官網《APS物理》也對此做了焦點專題報道。報道稱其使得長時間、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。

“我們未來應用這項技術，將會革命性的推進科學進步。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，那么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，對于我們對抗疫情都有幫助。”陳烽教授舉例說。