一次曝光, 拍下万亿分之一秒的世界: 中国团队造出飞秒级超快相机

有些事情发生得太快，人类的任何感官都无法追踪，甚至大多数相机也无能为力。

华东师范大学的研究团队开发出一种全新的成像技术，能够在单次曝光中同时捕捉光的强度变化和相位演变，时间分辨率达到飞秒量级，也就是千万亿分之一秒的尺度。相关成果发表于光学领域顶级期刊《Optica》。

这套系统的名字是CST-CMFI，全称“压缩光谱-时间相干调制飞秒成像”，听起来拗口，但它做的事情可以用一句话概括：用一次拍摄，记录下物质在极短时间内发生的一切变化，包括那些肉眼和传统仪器完全看不见的内部结构变化。

为什么“相位”比“亮度”更重要

研究人员开发了一种新的成像技术，称为压缩光谱-时间相干调制飞秒成像，能够实时捕捉物体强度的超快速变化和相位分布。影像系统如图所示。图片来源：姚云化，华东师范大学

要理解这项技术的突破在哪里，先得搞清楚一个问题：过去的超快成像技术已经很厉害了，这项新技术究竟多了什么？

答案是相位。

光携带两类信息：强度，也就是光的明暗，我们平时看到的所有图像本质上都是强度信息；相位，则描述光波的振动状态，反映光在穿过材料时如何弯曲、减速和改变。相位信息揭示的是材料的内部结构和折射率变化，是研究物质微观行为不可或缺的维度。

过去的单次超快成像技术，基本上只能记录强度变化。这就好比你只能看到一场爆炸的亮度变化，却看不见冲击波如何改变了周围空气的密度分布。对于物理、化学和材料科学研究来说，缺少相位信息意味着看到的只是故事的一半。

CST-CMFI的核心创新，就是在单次测量中同时获取强度和相位的完整时空演变。

研究团队负责人姚云华教授将这套系统的技术原理解释得相当清晰：系统使用一种叫做“啁啾激光脉冲”的特殊光源，这种脉冲包含多个波长的光，不同波长在时间上略有错开，相当于把时间信息编码进了波长。当这束光照射到一个快速变化的场景上，散射回来的光就携带了空间、光谱和相位的复合信息。

这些信息通过色散编码相干调制成像系统被压缩进一张图像，然后由一个物理信息神经网络负责解码：AI将不同波长分离，重建出每个时间节点的强度和相位图，最终拼合成一段完整的超快视频，而这一切来自单次曝光。

在水中和半导体里，看到了以前看不见的东西

图像展示了实验中使用的相位掩膜。图片来源：姚云化，华东师范大学

团队用这套系统做了两个实验，分别瞄准了两类具有代表性的超快现象。

第一个实验是追踪飞秒激光在水中诱导等离子体的形成过程。激光击中水面的瞬间，水分子被电离，形成致密的自由电子等离子体，整个过程在飞秒尺度内完成。CST-CMFI清晰捕捉到了等离子体通道内的强度和相位同步变化，包括折射率如何被自由电子的生成所改变。这类研究对激光外科手术和精密医疗技术的改进具有直接参考价值。

第二个实验聚焦于ZnSe，即硒化锌，这是一种重要的半导体材料。激光激发后，材料内部的电荷载流子开始运动，这种运动会引发折射率变化，进而影响相位，但对强度的影响往往极其微弱。实验结果证实了团队的判断：相位变化的幅度明显大于强度变化，说明相位测量在探测细微超快过程时灵敏度更高。

姚云华表示，这恰恰凸显了CST-CMFI的关键优势：很多时候，你用强度看不出任何异常，但相位已经在告诉你材料内部发生了什么。

这种能力对材料科学的意义尤为深远。更高效的太阳能电池、更快的光电器件、更精准的激光加工技术，都需要科学家在飞秒尺度上理解材料中载流子的行为，而这正是CST-CMFI能够提供的独特视角。

当然，这套技术目前也有明确的局限。由于它将光谱维度转化为时间信息，对于那些高度依赖光谱细节的研究过程，分辨能力会受到限制。研究团队已经规划了下一步：将CST-CMFI与压缩超快摄影技术结合，让光谱和时间信息能够被分别解析，从而大幅拓宽应用边界。

在物理学的深处，最重要的事情往往在转瞬之间发生。能看见这些瞬间，是理解物质本质的第一步。