“我们未来应用这项技术，将会革命性地推进科学进步。比如，我们有望可以搞清楚光合作用叶绿素吸收光子，光能变成化学能的过程，那么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，对于我们对抗疫情都有帮助。” 3月25日，西安交通大学电信学部陈烽教授表示。

2020年3月20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陈烽教授团队的“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。

超快过程研究的“前世今身”

“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突破了现有超快成像技术的局限。”陈烽介绍。他是西安交通大学二级教授，博士生导师。1999年任中国科学院瞬态光学技术国家重点实验室研究员和学科带头人，2002年任西安交通大学教授、博士生导师。主要研究方向包括：超快光子学和微纳光子学、飞秒激光微纳制造、激光仿生微纳制造等。他在上述领域开展了大量原创性研究，在国际著名学术期刊上发表论文200余篇，ESI高被引论文8篇，封面文章16篇。

人眼的视觉暂留时间一般为0.1-0.4秒，当变化过程短于0.1秒时，受眼睛时间分辨率的限制，我们就无法看清变化过程，比如要看清高速奔跑的骏马四脚是否同时离地就需要毫秒时间分辨能力，这就需要高速摄影技术。影片中的高速摄影是使用高速摄像机把转瞬即逝的快速变化过程记录下来，并以慢动作放映，从而可以显示肉眼看不见的瞬间动作。然而，光电子类高速相机的最大时间分辨能力仅为纳秒（10-9秒）， 要想观测超高速现象或超快过程，就需要更快的摄影技术，这有赖于快速探测手段和技术的革命性进步。

据介绍，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Zewail率先利用当时最先进的飞秒（10^-15秒）激光脉冲去研究发生化学反应时化学键的断裂和形成过程，并藉此荣膺1999年诺贝尔化学奖。1999年，自然科学的桂冠诺贝尔化学奖授给了埃及出生的科学家艾哈迈德•泽维尔（Ahmed H.Zewail），以表彰他应用超短激光（飞秒激光）闪光成相技术观测到分子中的原子在化学反应中如何运动，从而有助于人们理解和预期重要的化学反应，为整个化学及其相关科学带来了一场革命。

2001年，奥地利科学家首次实现了阿秒光脉冲的产生，宣告超快科学进入了阿秒时代。

多方面突破了现有超快成像技术

将革命性的推进科学进步

一直以来如何通过一种全新的超快成像手段，同时获得超高时间分辨率、超高帧频和超高光谱分辨，实现对一个瞬态过程完整准确的记录，是超快过程研究领域广泛关注的重要科学问题。

“1999年诺贝尔化学得奖者Ahmed H. Zewail基于抽运-探测（Pump-probe）技术提出的飞秒化学，使人们对于超快过程的研究延伸到了飞秒尺度。但由于抽运-探测（Pump-probe）技术每次只能获取超快过程的一个片段，所以仅适于观察稳定且可重复的超快过程。”陈烽表示，他所在的团队与香港城市大学王立代博士团队合作，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一项关键核心技术，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，从而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。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。

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。例如，记录超短脉冲激光作用材料时的各种瞬态非线性过程、先进材料微结构中的瞬态光子和声子传播、记录神经元中电信号的传播过程等。

上述研究成果发表在国际顶尖物理期刊《物理评论快报》上。（文/西安报业全媒体记者 张潇 图片由受访者提供）