中國光學十大進展|每秒4萬億幀相機,把光拍成駭客帝國子彈
2020年04月04日19:58

原標題:中國光學十大進展|每秒4萬億幀相機,把光拍成駭客帝國子彈

《駭客帝國》慢鏡頭裡的那些子彈,仍在不少人的腦海里飛行,這種電影技術被稱作“子彈時間”。

不過,特效始終是特效,手槍子彈在無風條件下的速度也不過每秒數百米。西安交通大學教授陳烽領導的飛秒激光微納製造實驗室,卻以突破性的解像度和幀頻,真實地將光的運動過程記錄了下來。

由中科院上海光學精密機械研究所和中國光學學會主辦的中國激光雜誌社近日發佈2019年度中國光學十大進展,陳烽團隊的“壓縮超快時間光譜成像術”(CUST)作為基礎研究類成果入選。

通俗地理解,這等於是一台每秒4萬億幀的超快相機,光譜解像度達到了亞納米級(1米=10的9次方納米),刷新超快成像記錄。

利用CUST記錄的飛秒激光直線傳播、自聚焦以及反射的超快過程影像。

傳統的飛秒化學技術,以距離間隔來製造時間間隔,雖然也能分解定格微觀世界里原子、分子的快速運動,但每次“按快門”只能截取一個片段,幀數難以提高,過程還原也就大為受限。

“把時間信息轉換為空間信息的技術已經達到了極限,”3月25日,陳烽在接受澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者專訪時表示,“我們必須要找到一個新的思路。”

他找到的新思路,是以光的不同“顏色”(頻率)來標記時間信息。為此,陳烽需要一束神奇的激光,“顏色”從頭到尾如彩虹般變化,一次曝光就能獲得過程中的所有信息。

以空間換時間

以空間信息換取時間信息的拍攝理念,最早可以追溯到一個“無聊”辯題:馬在奔跑的過程中,四蹄會否同時離地?

1878年,英國攝影師邁布里奇在賽道上攔了12根線,每根線連著一台相機的快門。這樣,雖然單台相機的快門速度趕不上賽馬,但奔跑的馬匹會依次觸發12台相機,馬蹄的運動過程由此分解出來。

不過,靠這種方法不可能無限細分下去。所有的電子器件探測器的速度都存在一個物理學極限,稱為電子學瓶頸。“電子學有很多物理效應,使得時間解像度不能超過納秒水平(1秒=10的9次方納秒=10的15次方飛秒),要到納秒以下,只能通過光子的能力。” 陳烽介紹道。

1980年代,加州理工學院教授艾哈邁德•澤維爾(Ahmed H. Zewail)基於抽運-探測(Pump-probe)技術提出了飛秒化學,使人們對於超快過程的研究延伸到了飛秒尺度。

澤維爾的抽運-探測“相機”,拍下了化學反應過程

抽運-探測的原理,可以理解為將那匹賽馬換成了一束激光,讓它重複跑上多次,攔在跑道上的只有一根“線”,每次都移動納米級別的距離,用光速來除一下,正好對應著飛秒級別的時間間隔。

我們想像把一個化學反應的過程分成100份,在一個電動平移台上,每次移動一定的微小距離,拍攝100次,就能拚接成一個時間光譜圖像。

用這種方法,人類首次像看足球慢鏡頭回放一樣,看到了化學反應中原子和分子的運動。澤維爾憑此成為了首位獲得諾貝爾獎者的阿拉伯裔科學家。

“人不能兩次踏進同一條河流”

發展到今天,飛秒化學還是依賴著相同的原理,已經出現了技術瓶頸。

陳烽將這瓶頸概括為兩方面。

首先,就是一個事件能截取的幀數很少,可能漏掉關鍵的中間信息。

其次,一次一幀意為著想要得到多少幀,就必須重複多少次一模一樣的實驗。拋開做實驗本身的資金和時間成本不論,這個假設也充滿限製,在科學上是難以嚴格成立的。

“人不能兩次踏進同一條河流。”陳烽引用了古希臘哲學家赫拉克利特的名言。

科學上解釋,就是分子可能出現簡單的線性吸收,只吸收1個光子就被激發了,它下次可能要吸收兩個光子、三個光子才激發起來,存在一個概率問題,無法保證每次都相同。

此外,如果抽運-探測所用的激光在第一次探測時就可能會改變、甚至破壞樣本結構,那下次探測時出現就並非重複的結果,而是累加的結果。

“所以一般情況下,飛秒化學主要用於液體,因為液體可以循環、可以補充。”陳烽總結道。“但是固體樣品就不太適合了,固體樣品不同區域之間可能不均勻,必須要反複去‘打’同一個區域。”

如鳥鳴一般變化的光

當幾十年的技術走到極限,陳烽開闢了一條岔道:用頻率信息轉換為時間信息,從時空變化走向時頻變化。

要理解時頻變化,我們首先要認識一種名為“啁啾脈衝”的特殊激光。

光是有不同的頻率,對應著不同的波長。更直觀一些,可以理解為不同的顏色,如紅橙黃綠青藍紫七色可見光就是頻率依次增加,波長依次變短。

假設有一束光,從頭到尾,從短波到長波,從紫到紅,呈現一個均勻的變化。可以想像,把這樣一束光打到物體上,必然是短波先到達,隨後長波才跟上。

這與鳥的啁啾聲具有相同的頻率結構:開始時頻率高,結束時頻率低。

“啁啾脈衝”的頻率隨時間變化

2018年的諾貝爾物理學獎就與奇妙的“啁啾脈衝”相關。不過,諾獎研究解決的問題是如何把“啁啾脈衝”先從時間上展寬,放大後再壓縮,將單個激光脈衝的功率放大到超過全世界所有發電廠的總和。

同一把“金鑰匙”,陳烽想到的是用它來標記時間。

既然一束“啁啾脈衝”的“顏色”表現出先來後到的區別,那麼不同顏色的光就對應著不同的時刻。例如紫光是1,藍光是2……

“這樣好處是什麼?曝光一次就能記錄下所有的信息。”陳烽說道。

剩下的,就是利用一種已有的壓縮感知技術,在CCD(電荷耦合器件)上壓縮空間、光譜和時間信息,最後通過算法來解壓縮獲得信息,將一幅二維的CCD圖像重建成具有空間和時間維度的多幅超快圖像。

超快時間、寬光譜地記錄飛秒影像,就此成為可能。

解像度改變認知

陳烽團隊的這套設備,目前在形態上還很難說是一台“相機”。

在一個頗具規模的平台上,堆放了很多光學透鏡、棱鏡、光柵之類的部件,需要懂超快光學原理的人去調節。

為了讓更多領域的科研人員也能上手超快相機,陳烽團隊計劃將其集成到一個機箱里,外觀上像是真正的相機,功能最好能通過軟件操作。

“我們嚐試在未來2到3年內,把它變成一個比較穩定的儀器。”他說道。這其中當然也包括很多工程問題,比如器件材料隨溫度變化後產生了輕微的形變,該如何解決。

每秒4萬億幀,到底能“解鎖”什麼樣前所未有的圖像?

以陳烽本人長期從事的超快光子學研究為例,用飛秒激光和材料進行相互作用後,材料可能會變化,呈現新奇的特性。

比如金屬材料,有些變出抗生鏽的能力,有些出現荷葉一樣的超疏水現象。科學家們可依此製作尺度很小的功能性表面或器件。

知其然,使其然,壓縮超快時間光譜成像術則可能拍下其中奧妙的變化過程,讓我們知其所以然。

在生物學領域,超快相機還可用來記錄神經元中電信號的傳播過程等。

“我們現在的未知世界,一邊是極端宏大的宇宙,一邊是極端小的微觀世界。而對微觀世界的瞭解還不如對宇宙的瞭解。”陳烽說道。“很關鍵的是,微觀的過程一般都是超快的過程。”

電子的行為甚至達到了亞飛秒、阿秒(比飛秒還要小1000倍)級別,時間解像度還需要進一步提升

在空間解像度上,光學鏡頭能看到微米以上的結構,無法看到納米結構。空間解像度對於芯片等信息器件的關鍵性,不言而喻。

陳烽認為人類對於解像度的追求是無止境的。從本質上,解像度令我們看到未知世界,許多技術革命從這些新打開的微小縫隙上萌發。

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