日常摄影中，照相机的闪光灯能在1/1000秒内“定格时间”——这个速度快到可以捕捉到棒球击球手迅速挥臂击球的动作，但对于如化学反应过程、光合作用能量传递过程等，更快的变化过程就显得无能为力，从事这方面的研究被称作超快过程研究。

“2019中国光学十大进展”日前揭晓，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，这群科研精英因此也被称为“长大本事会算时间账的人”。

超快过程研究的“前世今生”

激光打孔、用作“手术刀”的飞秒激光近视手术……是人们可以接触到的激光应用。

20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。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，并借此荣膺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，以表彰他应用超短激光（飞秒激光）闪光成像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。他的实验使用了超短激光技术，即飞秒光学技术。犹如电视节目通过慢动作来观看足球赛精彩镜头那样，他的研究成果可以让人们通过“慢动作”观察处于化学反应过程中的原子与分子的转变状态，从根本上改变了我们对化学反应过程的认识。泽维尔通过“对基础化学反应的先驱性研究”，使人类得以研究和预测重要的化学反应，泽维尔因而给化学以及相关科学领域带来了一场革命。

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。

放分弃秒只争飞

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长期广泛关注的重要科学问题。

陈烽教授团队揭示出超快压缩成像的基本原理即飞秒激光时间—光谱相互耦合原理，它的实现主要是通过3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，形成一个叫作“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（电荷耦合器件）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。

“1999年诺贝尔化学得奖者Ahmed H. Zewail基于抽运-探测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。”陈烽教授和他所领衔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”。

作为探索各种未知瞬态过程的一项关键核心技术，科研人员通过单次曝光即可实现对瞬态过程的完整记录，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。其超高帧率可以达到3.85THz（1THz=10^12Hz,万亿赫兹），和亚纳米级超高光谱分辨率，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，实现了实时记录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。

我的未来不是梦

近年来，陈烽教授团队面向国家重大需求，瞄准超快光子技术、飞秒激光应用关键技术难题和卡脖子问题进行科研攻关，先后提出了压缩超快时间光谱成像术、硬脆性材料飞秒激光三维微纳制造方法、飞秒激光湿法刻蚀微纳制造方法、飞秒激光仿生微纳制造、基于飞秒激光的三维金属微纳结构制造方法等，由于在超快光子技术、飞秒激光应用领域的开创性研究，得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家重大科学仪器开发专项、国家863计划等项目的资助。

国际顶尖物理期刊《物理评论快报》报道了该成果，英国《自然》以研究亮点形式对此项成果进行了专题报道，美国物理学会官网《APS物理》也对此做了焦点专题报道。报道称其使得长时间、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。

“我们未来应用这项技术，将会革命性的推进科学进步。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。”陈烽教授举例说。