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深度解讀

西安交大陳烽團(tuán)隊(duì)在超快成像術(shù)取得突破性進(jìn)展

來源:西安日報(bào)2020-04-14 我要評論(0 )   

  陳烽教授(左)正在和團(tuán)隊(duì)一起工作。 (受訪者供圖)  ■西安報(bào)業(yè)全媒體記者 張瀟  “未來應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù),將會革命性地推進(jìn)科學(xué)進(jìn)步。比如有望搞清楚光合作用葉...

  陳烽教授(左)正在和團(tuán)隊(duì)一起工作。 (受訪者供圖)


  ■西安報(bào)業(yè)全媒體記者 張瀟

  “未來應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù),將會革命性地推進(jìn)科學(xué)進(jìn)步。比如有望搞清楚光合作用葉綠素吸收光子、光能變成化學(xué)能的過程,那么能源轉(zhuǎn)化率就會高很多。再比如,如果可以研究清楚新冠病毒在分子層面的瞬態(tài)作用機(jī)理,對于抗疫都會有幫助?!?西安交通大學(xué)陳烽教授日前接受記者采訪時(shí)表示。

  2020年3月20日,中國激光雜志社發(fā)布了“2019中國光學(xué)十大進(jìn)展”,西安交通大學(xué)電信學(xué)部陳烽教授團(tuán)隊(duì)的“壓縮超快時(shí)間光譜成像術(shù)”成果入選。據(jù)悉,這是該研究團(tuán)隊(duì)繼入選“2015中國光學(xué)十大進(jìn)展”之后第二次獲得殊榮。


  超快過程研究的“前世今生”

  “這種新型的‘壓縮超快時(shí)間光譜成像術(shù)’(CUST),在幀率、幀數(shù)和精細(xì)光譜成像等方面,突破了現(xiàn)有超快成像技術(shù)的局限?!标惙槭俏靼步煌ù髮W(xué)二級教授,博士生導(dǎo)師;1999年任中國科學(xué)院瞬態(tài)光學(xué)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員和學(xué)科帶頭人,2002年任西安交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向包括:超快光子學(xué)和微納光子學(xué)、飛秒激光微納制造、激光仿生微納制造等。多年來,他在上述領(lǐng)域開展了大量原創(chuàng)性研究,在國際著名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文200余篇,ESI高被引論文8篇,封面文章16篇。

  人眼的視覺暫留時(shí)間一般為0.1-0.4秒。當(dāng)變化過程短于0.1秒時(shí),受眼睛時(shí)間分辨率的限制,我們就無法看清變化過程。比如要看清高速奔跑的駿馬四腳是否同時(shí)離地,就需要毫秒時(shí)間分辨能力,這就需要高速攝影技術(shù)。影片中的高速攝影,是使用高速攝像機(jī)把轉(zhuǎn)瞬即逝的快速變化過程記錄下來,并以慢動作放映,從而可以顯示肉眼看不見的瞬間動作。要想觀測超高速現(xiàn)象或超快過程,就需要更快的攝影技術(shù),這有賴于快速探測手段和技術(shù)的革命性進(jìn)步。

  據(jù)介紹,上世紀(jì)60年代激光的發(fā)明,推動了超高速攝影技術(shù)的誕生和發(fā)展。1999年,諾貝爾化學(xué)獎授給了埃及出生的科學(xué)家艾哈邁德·澤維爾(Ahmed H.Zewail),以表彰他應(yīng)用超短激光(飛秒激光)閃光成像技術(shù)觀測到分子中的原子在化學(xué)反應(yīng)中如何運(yùn)動,從而有助于人們理解和預(yù)期重要的化學(xué)反應(yīng),為整個(gè)化學(xué)及其相關(guān)科學(xué)帶來了一場革命。 2001年,奧地利科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了阿秒光脈沖的產(chǎn)生,宣告超快科學(xué)進(jìn)入了阿秒時(shí)代。


  多方面突破現(xiàn)有超快成像技術(shù)

  一直以來,如何通過一種全新的超快成像手段,同時(shí)獲得超高時(shí)間分辨率、超高幀頻和超高光譜分辨,實(shí)現(xiàn)對一個(gè)瞬態(tài)過程完整準(zhǔn)確的記錄,是超快過程研究領(lǐng)域廣泛關(guān)注的重要科學(xué)問題。

  “1999年諾貝爾化學(xué)得獎?wù)逜hmed H. Zewail基于抽運(yùn)-探測(Pump-probe)技術(shù)提出的飛秒化學(xué),使人們對于超快過程的研究延伸到了飛秒尺度。但由于抽運(yùn)-探測(Pump-probe)技術(shù)每次只能獲取超快過程的一個(gè)片段,所以僅適于觀察穩(wěn)定且可重復(fù)的超快過程?!标惙楸硎?,他所在的團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)王立代博士團(tuán)隊(duì)合作,提出了一種全新的“壓縮超快時(shí)間光譜成像術(shù)”,通過單次曝光即可實(shí)現(xiàn)對瞬態(tài)過程的完整記錄,在幀率、幀數(shù)、和精細(xì)光譜成像等方面突破了現(xiàn)有超快成像技術(shù)的局限。

  陳烽介紹,該技術(shù)是探索各種未知瞬態(tài)過程的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù),如化學(xué)反應(yīng)過程中原子的運(yùn)動、超短激光脈沖作用材料時(shí)發(fā)生的瞬態(tài)非線性過程等。超快壓縮成像通過對飛秒激光進(jìn)行數(shù)字編碼,并在時(shí)間和光譜維度上進(jìn)行壓縮和解壓縮,從而能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速度、高幀數(shù)以及高光譜分辨率。超快壓縮成像的超高幀率可以達(dá)到3.85THz(萬億赫茲)和亞納米級超高光譜分辨率。研究人員通過這種超快壓縮成像技術(shù),實(shí)時(shí)記錄了飛秒激光脈沖的傳播、反射以及自聚焦等持續(xù)時(shí)間達(dá)到33皮秒的超快物理過程。

  該成果使得長時(shí)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(xué)、材料和生物學(xué)的研究。例如,記錄超短脈沖激光作用材料時(shí)的各種瞬態(tài)非線性過程、先進(jìn)材料微結(jié)構(gòu)中的瞬態(tài)光子和聲子傳播、記錄神經(jīng)元中電信號的傳播過程等。該研究成果發(fā)表在國際頂尖物理期刊《物理評論快報(bào)》上。


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超快成像陳烽
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