研究人员公布了一种新的成像方法，能以前所未有的细节捕捉微观世界中的超快事件。这些过程发生在数百飞秒（一万亿分之一秒）的时间尺度上，传统上一直极其难以研究。然而，这项新技术让科学家能够以极高的清晰度和速度观察这些快速变化。

"在物理学、化学、生物学和材料科学领域，许多重要现象发生得极快，"华东师范大学的研究团队负责人姚云华说。"我们的新技术可以在单次测量中捕捉物体亮度和内部结构的完整演变。这对于理解物质的基本性质、设计新材料，甚至揭示生物过程的奥秘来说，是一大进步。"

该团队在《光学》杂志上描述了他们的方法，称为压缩光谱-时间相干调制飞秒成像（CST-CMFI）。使用该系统，他们能够追踪超快活动，例如飞秒激光脉冲后水中等离子体的形成，以及一种名为ZnSe的材料中受激电荷载流子的行为。

"除了帮助科学家研究在激光照射下瞬间变化的材料、以闪电速度重新排列原子的化学反应，以及在极短时间尺度上生物分子的动态行为外，CST-CMFI还有助于改进用于清洁能源研究、先进制造和科学仪器的高功率激光技术，"姚云华说。"通过更好地理解材料在极快时间尺度上的行为，它还可能带来更高效的电子产品、改进的太阳能电池和更快的设备。"

捕捉的不仅仅是昙花一现

这项工作是华东师范大学极端光学成像实验室持续努力的一部分。一个关键重点是单次超快光学成像，即在单次曝光中捕捉不可重复的事件。过去的技术主要记录亮度或光强的变化。但光也携带相位信息，这揭示了光如何弯曲或改变速度。研究人员着手同时捕捉强度和相位，提供更完整的图像。

为了实现这一点，他们结合了时间-光谱映射、压缩光谱成像和相干调制成像。该系统使用一个啁啾激光脉冲，由多个波长组成，这些波长在略微不同的时间到达，有效地将时间与波长联系起来。当脉冲与快速变化的事件相互作用时，散射光携带详细的空间、光谱和相位信息，这些信息被压缩成单张图像。然后，一个基于物理信息的神经网络处理这些数据，分离波长并重建强度和相位随时间的变化，从而从单次拍摄中创建超快电影。

等离子体和电子恶作剧的实时视图

在测试中，该团队检查了飞秒激光在水中产生的等离子体，这可能支持基于激光的医疗程序等应用。成像揭示了等离子体通道内的亮度和相位变化，包括密集的自由电子等离子体的形成。他们还研究了ZnSe中的载流子动力学，以了解电荷在被光激发后如何移动，这对于改进光学和电子设备至关重要。

"使用CST-CMFI，我们能够看到与载流子动力学相关的相位变化，即使强度没有显著变化，"姚云华说。"这凸显了我们方法的一个关键优势：在检测微妙的超快过程时，相位测量可能比强度测量敏感得多。"

未来计划：因为即使一万亿分之一秒也不够快

展望未来，研究人员计划应用该方法研究其他现象，如界面动力学和超快相变。目前，CST-CMFI将光谱信息转换为时间信息，这限制了其研究对光谱变化高度敏感的过程的能力。为了解决这个问题，该团队旨在将CST-CMFI与压缩超快摄影相结合，这将允许分别捕捉光谱和时间信息，显著扩展该技术的多功能性。