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《4万亿帧每秒的速度去捕捉光的运动》 西安交大学者成功实现“追光梦”
2019-06-20 18:43  来源:西安新闻网     /  编辑:邴璞

????光速,光子在真空中的速度,是人类已知宇宙中存在的最快速度。捕获光子的轨迹,一直是科学家们的梦想。西安交大学者通过一种新型的超快成像技术,日前成功捕获到光子的运动。

????上述研究成果近期发表在国际顶尖物理期刊《物理评论快报》;5月23日出版的英国《自然》(Nature)以研究亮点形式,对此项成果进行了专题报道,文章标题为《4万亿帧每秒的速度去捕捉光的运动》。同时,美国物理学会官网《APS物理》(APS Physics)也就此做了焦点专题报道。

????“压缩超快时间光谱成像术”突破现有技术局限

????西安交大电信学部陈烽教授团队,与香港城大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”(简称超快压缩成像,英文简称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。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。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(1皮秒等于一万亿分之一秒)的超快物理过程。

????据介绍,超快成像是探知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、极端瞬态物理过程等等。1999年诺贝尔化学得奖者Ahmed H. Zewail提出的飞秒(千万亿分之一秒)化学,使人们对于超快过程的研究延伸到了飞秒尺度。但由于该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。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。

????有望记录神经元中电信号的传播过程

????陈烽教授团队提出的超快压缩成像,其基本原理是飞秒激光时间-光谱相互耦合原理,它的实现主要是通过三个关键步骤,首先是利用飞秒激光丰富的频率成分,通过色散将不同的波长在时域上拉伸,形成一个叫做“啁啾脉冲”的高速时间序列。第二步是这个拉伸的时间序列与测量的瞬态过程进行相互作用。这样,不同的波长成分就可以记录超快过程不同的时间信息。进而对这一时间序列进行二维的空间编码,并利用色散将不同的光谱信息压缩在一个二维平面上并采用CCD采集,也就是利用CCD图像传感器对图像信息进行采集。最终利用算法将一幅二维的CCD图像重建成具有空间和时间维度的多幅超快图像。

????这一研究成果使得长时间、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,人类大脑中的神经元接收来自数千个其他细胞的电信号,称为树突的长神经延伸在整合所有信息中发挥关键作用,因此细胞可以适当地作出反应。该研究成果有望记录神经元中电信号的传播过程等。

????西安交通大学与香港成大联合培养博士生陆宇为本文第一作者,西安交通大学陈烽教授和香港城大王立代博士为本文共同通讯作者。西安交通大学是本文第一作者单位。这项工作得到国家自然科学基金、微纳制造与测试技术国际合作联合实验室、香港特别行政区研究资助局以及香港城市大学的资助。(文/记者 张潇)

来源:西安新闻网   编辑:邴璞
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