「澎湃新闻」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( 二 )
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 。
本文插图
“啁啾脉冲”的频率随时间变化
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 。
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