飛秒級突破！華東師大新技術單次曝光，同時捕捉光強與相位演變！

有些事情發生得太快，人類的任何感官都無法追蹤，甚至大多數相機也無能為力。

華東師范大學的研究團隊開發出一種全新的成像技術，能夠在單次曝光中同時捕捉光的強度變化和相位演變，時間分辨率達到飛秒量級，也就是千萬億分之一秒的尺度。相關成果發表于光學領域頂級期刊《Optica》。

這套系統的名字是CST-CMFI，全稱“壓縮光譜-時間相干調制飛秒成像”，聽起來拗口，但它做的事情可以用一句話概括：用一次拍攝，記錄下物質在極短時間內發生的一切變化，包括那些肉眼和傳統儀器完全看不見的內部結構變化。

要理解這項技術的突破在哪里，先得搞清楚一個問題：過去的超快成像技術已經很厲害了，這項新技術究竟多了什么？

答案是相位。

光攜帶兩類信息：強度，也就是光的明暗，我們平時看到的所有圖像本質上都是強度信息；相位，則描述光波的振動狀態，反映光在穿過材料時如何彎曲、減速和改變。相位信息揭示的是材料的內部結構和折射率變化，是研究物質微觀行為不可或缺的維度。

過去的單次超快成像技術，基本上只能記錄強度變化。這就好比你只能看到一場爆炸的亮度變化，卻看不見沖擊波如何改變了周圍空氣的密度分布。對于物理、化學和材料科學研究來說，缺少相位信息意味著看到的只是故事的一半。

CST-CMFI的核心創新，就是在單次測量中同時獲取強度和相位的完整時空演變。

研究團隊負責人姚云華教授將這套系統的技術原理解釋得相當清晰：系統使用一種叫做“啁啾激光脈沖”的特殊光源，這種脈沖包含多個波長的光，不同波長在時間上略有錯開，相當于把時間信息編碼進了波長。當這束光照射到一個快速變化的場景上，散射回來的光就攜帶了空間、光譜和相位的復合信息。

這些信息通過色散編碼相干調制成像系統被壓縮進一張圖像，然后由一個物理信息神經網絡負責解碼：AI將不同波長分離，重建出每個時間節點的強度和相位圖，最終拼合成一段完整的超快視頻，而這一切來自單次曝光。

團隊用這套系統做了兩個實驗，分別瞄準了兩類具有代表性的超快現象。

第一個實驗是追蹤飛秒激光在水中誘導等離子體的形成過程。激光擊中水面的瞬間，水分子被電離，形成致密的自由電子等離子體，整個過程在飛秒尺度內完成。CST-CMFI清晰捕捉到了等離子體通道內的強度和相位同步變化，包括折射率如何被自由電子的生成所改變。這類研究對激光外科手術和精密醫療技術的改進具有直接參考價值。

第二個實驗聚焦于ZnSe，即硒化鋅，這是一種重要的半導體材料。激光激發后，材料內部的電荷載流子開始運動，這種運動會引發折射率變化，進而影響相位，但對強度的影響往往極其微弱。實驗結果證實了團隊的判斷：相位變化的幅度明顯大于強度變化，說明相位測量在探測細微超快過程時靈敏度更高。

姚云華表示，這恰恰凸顯了CST-CMFI的關鍵優勢：很多時候，你用強度看不出任何異常，但相位已經在告訴你材料內部發生了什么。

這種能力對材料科學的意義尤為深遠。更高效的太陽能電池、更快的光電器件、更精準的激光加工技術，都需要科學家在飛秒尺度上理解材料中載流子的行為，而這正是CST-CMFI能夠提供的獨特視角。

當然，這套技術目前也有明確的局限。由于它將光譜維度轉化為時間信息，對于那些高度依賴光譜細節的研究過程，分辨能力會受到限制。研究團隊已經規劃了下一步：將CST-CMFI與壓縮超快攝影技術結合，讓光譜和時間信息能夠被分別解析，從而大幅拓寬應用邊界。

在物理學的深處，最重要的事情往往在轉瞬之間發生。能看見這些瞬間，是理解物質本質的第一步。