一直以来，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。日前，加州理工学院的科学家开发出了一种全新的超快照相技术，这种被称作CUSP（压缩超快光谱照相）的技术有着惊人的帧率，它使用极短的激光脉冲，每个脉冲仅持续一个飞秒，1飞秒是1秒的万亿分之一。

相关研究成果以《Single-shot ultrafast imaging attaining 70 trillion frames per second》为标题，刊登在4月29日的《自然通讯》杂志上。

什么是超快照相技术CUSP

几乎每个人都有过拍照时眨眼的经历。照相机咔嚓一声，你的眼睛闭上了，再睁开的时候，照片就毁了。美国加州理工学院研发这种新型超快相机，如果它对准的是你可爱的脸庞，也能拍到你闭着眼睛像个傻瓜一样的样子，只是在你眨眼的时间里，它可以拍出数万亿张照片，而不是只拍一张照片。

据介绍，上世纪60年代激光的发明，推动了超高速摄影技术的诞生和发展。1999年，诺贝尔化学奖授给了埃及出生的科学家艾哈迈德·泽维尔（Ahmed H.Zewail），以表彰他应用超短激光（飞秒激光）闪光成像技术观测到分子中的原子在化学反应中如何运动，从而有助于人们理解和预期重要的化学反应，为整个化学及其相关科学带来了一场革命。2001年，奥地利科学家首次实现了阿秒光脉冲的产生，宣告超快科学进入了阿秒时代。

创新

一直以来，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。

Lihong Wang实验室的Bren教授开发的新相机，每秒可拍摄70万亿张照片。该相机技术被Wang称为压缩超快光谱摄影(CUSP)，CUSP系统是基于实验室之前研究的快速照相技术CUP开发的。CUP系统曾在2014年达到了每秒1000亿帧的最高速度。到2018年，该团队通过使用一种名为T-CUP的先进技术实现了每秒10万亿帧的拍摄速度。

CUSP将发射极短激光脉冲的激光器与光学器件和一种特殊类型的相机结合在一起，这种激光器发射出的激光光脉冲极短，持续时间只有四分之一秒（1飞秒）。光学系统将单个飞秒级的激光光脉冲分解成一串更短的脉冲，每个脉冲都能在相机中产生图像。这个速度快到可以看到光波的移动和分子的荧光衰变。

现在拍摄的速度快了7倍，Wang和他的团队相信CUSP技术可以用于探测超快的基础物理世界以此来帮助打造更小、更灵敏的电子产品。

Wang说，这项技术可以为基础物理、下一代半导体微型化和生命科学等领域开辟新的研究途径。"我们设想在丰富的极速现象中的应用，如超短光传播、波传播、核聚变、云和生物组织中的光子传输、生物大分子的荧光衰变等，"Wang说。

值得注意的是，我国团队此前也在超快成像术取得突破性进展。2020年3月20日，中国激光杂志社发布了“2019中国光学十大进展”，西安交通大学电信学部陈烽教授团队的“压缩超快时间光谱成像术”（CUST）成果入选。CUST技术在帧率、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。

陈烽介绍，该技术是探索各种未知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等。超快压缩成像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。超快压缩成像的超高帧率可以达到3.85THz（万亿赫兹）和亚纳米级超高光谱分辨率。研究人员通过这种超快压缩成像技术，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皮秒的超快物理过程。

该成果使得长时间、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。