超快成像是探知各种瞬态过程的一项关键核心技术，如化学反应过程中原子的运动、超短激光脉冲作用材料时发生的瞬态非线性过程、极端瞬态物理过程等。

1999年诺贝尔化学得奖者Ahmed H. Zewail基于抽运-探测（Pump-probe）技术提出的飞秒化学，使人们对于超快过程的研究延伸到了飞秒尺度。但由于抽运-探测（Pump-probe）技术每次只能获取超快过程的一个片段，所以仅适于观察稳定且可重复的超快过程。

如何通过一种全新的超快成像手段，同时获得超高时间分辨率、超高帧频和超高光谱分辨，实现对一个瞬态过程完整准确的记录，是超快过程研究领域广泛关注的重要科学问题。

西安交通大学陈烽教授团队与香港城市大学王立代博士团队合作，提出了一种全新的“压缩超快时间光谱成像术”（CUST），在帧率、帧数、和精细光谱成像等方面突破了现有超快成像技术的局限，研究成果发表在Physical Review Letters上。

CUST通过对飞秒激光进行数字编码，并在时间和光谱维度上进行压缩和解压缩，从而能够同时实现高速度、高帧数以及高光谱分辨率。CUST的超高帧率可以达到3.85 THz（1THz=10¹²Hz），和亚纳米级超高光谱分辨率。

研究人员通过CUST技术实时记录了飞秒激光脉冲的传播、反射以及自聚焦等持续时间达到33 ps的超快物理过程。

图1 利用CUST记录的飞秒激光直线传播、自聚焦以及反射的超快过程影像。

CUST技术是建立在飞秒激光时间-光谱相互耦合原理上的。CUST的实现主要通过三个关键步骤：

首先，利用飞秒激光丰富的频率成分，通过色散将不同的波长在时域上拉伸，形成一个叫做“啁啾脉冲”的高速时间序列。

其次，这个拉伸的时间序列与测量的瞬态过程进行相互作用。这样，不同的波长成分就可以记录超快过程不同的时间信息。进而对这一时间序列进行二维的空间编码，并利用色散将不同的光谱信息压缩在一个二维平面上并采用CCD采集。

最后，利用压缩感知算法将一幅二维的CCD图像重建成具有空间和时间维度的多幅超快图像。

图2 “压缩超快时间光谱成像术”（CUST）的工作原理。

这一研究成果使得长时间、宽光谱地记录飞秒影像成为可能，将推动更多涉及超快过程的极端物理、化学、材料和生物学的研究，例如，记录超短脉冲激光作用材料时的各种瞬态非线性过程、先进材料微结构中的瞬态光子和声子传播、记录神经元中电信号的传播过程等。

原文刊发于2019年6月3日科技日报头版报眼。此外，《自然》（Nature）以研究亮点（Research Highlights）形式对该研究成果进行了专题报道，文章标题为《4万亿帧每秒的速度去捕捉光的运动》。同时，美国物理学会官网《APS物理》（APS Physics）也做了焦点专题报道，文章标题为《聚焦：4万亿帧频的电影》。这项工作得到国家自然科学基金、微纳制造与测试技术国际合作联合实验室、香港特别行政区研究资助局以及香港城市大学的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.193904