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『科创板日报』每秒4万亿帧相机 把光拍成黑客帝国子弹，中国光学十大进展( 二 )


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 。
『科创板日报』每秒4万亿帧相机 把光拍成黑客帝国子弹，中国光学十大进展
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“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 。
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 。


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