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中国光学十大进展|每秒4万亿帧相机,把光拍成黑客帝国子弹
发布时间: 2020-05-13 11:28 | 【 【打印】【关闭】

  《黑客帝国》慢镜头里的那些子弹,仍在不少人的脑海里飞行,这种电影技术被称作“子弹时间”。

  不过,特效始终是特效,手枪子弹在无风条件下的速度也不过每秒数百米。西安交通大学教授陈烽领导的飞秒激光微纳制造实验室,却以突破性的分辨率和帧频,真实地将光的运动过程记录了下来。

  由科院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办的中国激光杂志社近日发布2019年度中国光学十大进展,陈烽团队的“压缩超快时间光谱成像术”(CUST)作为基础研究类成果入选。

  通俗地理解,这等于是一台每秒4万亿帧的超快相机,光谱分辨率达到了亚纳米级(1米=10的9次方纳米),刷新超快成像记录。

  传统的飞秒化学技术,以距离间隔来制造时间间隔,虽然也能分解定格微观世界里原子、分子的快速运动,但每次“按快门”只能截取一个片段,帧数难以提高,过程还原也就大为受限。

  “把时间信息转换为空间信息的技术已经达到了极限,”3月25日,陈烽在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者专访时表示,“我们必须要找到一个新的思路。”

  他找到的新思路,是以光的不同“颜色”(频率)来标记时间信息。为此,陈烽需要一束神奇的激光,“颜色”从头到尾如彩虹般变化,一次曝光就能获得过程中的所有信息。

  以空间换时间 

  以空间信息换取时间信息的拍摄理念,最早可以追溯到一个“无聊”辩题:马在奔跑的过程中,四蹄会否同时离地?

  1878年,英国摄影师迈布里奇在赛道上拦了12根线,每根线连着一台相机的快门。这样,虽然单台相机的快门速度赶不上赛马,但奔跑的马匹会依次触发12台相机,马蹄的运动过程由此分解出来。

  不过,靠这种方法不可能无限细分下去。所有的电子器件探测器的速度都存在一个物理学极限,称为电子学瓶颈。“电子学有很多物理效应,使得时间分辨率不能超过纳秒水平(1秒=10的9次方纳秒=10的15次方飞秒),要到纳秒以下,只能通过光子的能力。” 陈烽介绍道。

  1980年代,加州理工学院教授艾哈迈德?泽维尔(Ahmed H. Zewail)基于抽运-探测(Pump-probe)技术提出了飞秒化学,使人们对于超快过程的研究延伸到了飞秒尺度。

  抽运-探测的原理,可以理解为将那匹赛马换成了一束激光,让它重复跑上多次,拦在跑道上的只有一根“线”,每次都移动纳米级别的距离,用光速来除一下,正好对应着飞秒级别的时间间隔。

  我们想象把一个化学反应的过程分成100份,在一个电动平移台上,每次移动一定的微小距离,拍摄100次,就能拼接成一个时间光谱图像。

  用这种方法,人类首次像看足球慢镜头回放一样,看到了化学反应中原子和分子的运动。泽维尔凭此成为了首位获得诺贝尔奖者的阿拉伯裔科学家。

  “人不能两次踏进同一条河流” 

  发展到今天,飞秒化学还是依赖着相同的原理,已经出现了技术瓶颈。

  陈烽将这瓶颈概括为两方面。

  首先,就是一个事件能截取的帧数很少,可能漏掉关键的中间信息。

  其次,一次一帧意为着想要得到多少帧,就必须重复多少次一模一样的实验。抛开做实验本身的资金和时间成本不论,这个假设也充满限制,在科学上是难以严格成立的。

  “人不能两次踏进同一条河流。”陈烽引用了古希腊哲学家赫拉克利特的名言。

  科学上解释,就是分子可能出现简单的线性吸收,只吸收1个光子就被激发了,它下次可能要吸收两个光子、三个光子才激发起来,存在一个概率问题,无法保证每次都相同。

  此外,如果抽运-探测所用的激光在第一次探测时就可能会改变、甚至破坏样本结构,那下次探测时出现就并非重复的结果,而是累加的结果。

  “所以一般情况下,飞秒化学主要用于液体,因为液体可以循环、可以补充。”陈烽总结道。“但是固体样品就不太适合了,固体样品不同区域之间可能不均匀,必须要反复去‘打’同一个区域。”

  如鸟鸣一般变化的光 

  当几十年的技术走到极限,陈烽开辟了一条岔道:用频率信息转换为时间信息,从时空变化走向时频变化。

  要理解时频变化,我们首先要认识一种名为“啁啾脉冲”的特殊激光。

  光是有不同的频率,对应着不同的波长。更直观一些,可以理解为不同的颜色,如红橙黄绿青蓝紫七色可见光就是频率依次增加,波长依次变短。

  假设有一束光,从头到尾,从短波到长波,从紫到红,呈现一个均匀的变化。可以想象,把这样一束光打到物体上,必然是短波先到达,随后长波才跟上。

  这与鸟的啁啾声具有相同的频率结构:开始时频率高,结束时频率低。

  2018年的诺贝尔物理学奖就与奇妙的“啁啾脉冲”相关。不过,诺奖研究解决的问题是如何把“啁啾脉冲”先从时间上展宽,放大后再压缩,将单个激光脉冲的功率放大到超过全世界所有发电厂的总和。

  同一把“金钥匙”,陈烽想到的是用它来标记时间。

  既然一束“啁啾脉冲”的“颜色”表现出先来后到的区别,那么不同颜色的光就对应着不同的时刻。例如紫光是1,蓝光是2……

  “这样好处是什么?曝光一次就能记录下所有的信息。”陈烽说道。

  剩下的,就是利用一种已有的压缩感知技术,在CCD(电荷耦合器件)上压缩空间、光谱和时间信息,最后通过算法来解压缩获得信息,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。

  超快时间、宽光谱地记录飞秒影像,就此成为可能。

  分辨率改变认知 

  陈烽团队的这套设备,目前在形态上还很难说是一台“相机”。

  在一个颇具规模的平台上,堆放了很多光学透镜、棱镜、光栅之类的部件,需要懂超快光学原理的人去调节。

  为了让更多领域的科研人员也能上手超快相机,陈烽团队计划将其集成到一个机箱里,外观上像是真正的相机,功能最好能通过软件操作。

  “我们尝试在未来2到3年内,把它变成一个比较稳定的仪器。”他说道。这其中当然也包括很多工程问题,比如器件材料随温度变化后产生了轻微的形变,该如何解决。

  每秒4万亿帧,到底能“解锁”什么样前所未有的图像?

  以陈烽本人长期从事的超快光子学研究为例,用飞秒激光和材料进行相互作用后,材料可能会变化,呈现新奇的特性。

  比如金属材料,有些变出抗生锈的能力,有些出现荷叶一样的超疏水现象。科学家们可依此制作尺度很小的功能性表面或器件。

  知其然,使其然,压缩超快时间光谱成像术则可能拍下其中奥妙的变化过程,让我们知其所以然。

  在生物学领域,超快相机还可用来记录神经元中电信号的传播过程等。

  “我们现在的未知世界,一边是极端宏大的宇宙,一边是极端小的微观世界。而对微观世界的了解还不如对宇宙的了解。”陈烽说道。“很关键的是,微观的过程一般都是超快的过程。”

  电子的行为甚至达到了亚飞秒、阿秒(比飞秒还要小1000倍)级别,时间分辨率还需要进一步提升

  在空间分辨率上,光学镜头能看到微米以上的结构,无法看到纳米结构。空间分辨率对于芯片等信息器件的关键性,不言而喻。

  陈烽认为人类对于分辨率的追求是无止境的。从本质上,分辨率令我们看到未知世界,许多技术革命从这些新打开的微小缝隙上萌发。

  文章来源:澎湃新闻、科学网

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