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城大夥西安交大創新招「捉光」

2019-06-07

香港文匯報訊(記者 李陽波 西安報道)光速是目前宇宙中已知存在的最快速度,完整準確捕獲光子的運動軌跡,是全球科學家的共同夢想。西安交通大學與香港城市大學科研團隊合作實現「捕光夢」,開發全新「壓縮超快時間光譜成像術」,在幀率、幀數和精細光譜成像等方面突破現有局限,成功捕獲光子的運動。

相關成果近日在國際頂尖物理期刊《物理評論快報》發表,英國《自然》亦以《4萬億幀每秒的速度去捕捉光的運動》為題進行了專題報道。

超快成像是探知各種未知瞬態過程的一項關鍵技術。1999年諾貝爾化學獎得獎者Ahmed H.Zewail基於泵浦探測技術提出「飛秒化學」,使人們對於超快過程的研究延伸到了飛秒尺度。惟該技術每次只能獲取超快過程的一個片段,僅適用於觀察穩定且可重複的超快過程。

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,是該領域過去長期關注的重要科學問題。

針對以上難題,西安交大電子與信息學部教授陳烽團隊,與城大生物醫學工程學系助理教授王立代團隊合作提出超快壓縮成像技術。團隊其後通過這種新技術對飛秒激光進行數字編碼,並在時間和光譜維度上進行壓縮和解壓縮,從而同時成功實現了高速度、高幀數以及高光譜分辨率。

成果圓捕光子運動軌跡夢想

據悉,這技術的超高幀率可達到3.85THz,實現了亞納米級超高光譜分辨率,同時亦實時記錄了飛秒激光脈衝的傳播、反射和自聚焦等持續時間達到33皮秒的超快物理過程,完成了眾多科學家捕獲光子運動軌跡的夢想。

西安交大科研團隊介紹指,這技術的基本原理是飛秒激光時間-光譜相互耦合原理,有三個關鍵步驟。第一步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「啁啾脈衝」高速時間序列;第二步將該高速時間序列與測量的瞬態過程進行相互作用,不同的波長成分記錄下超快過程不同的時間信息;進而對時間序列進行二維空間編碼,並利用色散將不同的光譜信息壓縮在二維平面上並採用CCD採集,最終利用算法將二維CCD圖像重建成具有空間和時間維度的多幅超快圖像。

專家表示,該研究成果使得長時間、寬光譜地記錄飛秒影像成為可能,未來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。

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