中国科学家突破飞秒成像瓶颈实现单次拍摄捕捉光相位信息

华东师范大学（east china normal university）的何宇（yu he）教授及其团队在《光学》（optica）期刊上发表了一项突破性成果，开发了一种全新的超高速成像技术。该方法能够在单次测量中，同时记录物体在飞秒（10^-15秒）时间尺度下的亮度演化与内部结构变化。这一进展解决了传统高速摄影仅能捕捉光强变化而忽略相位信息的长期痛点，为研究原子重组、生物大分子动态等超快过程提供了前所未有的清晰度。

突破单一维度限制的技术原理

长期以来，研究化学反应中闪电般的原子重排或生物分子的动态行为极具挑战性。传统成像技术通常只记录光的强度（亮度），而忽略了相位信息——即光在穿过材料时弯曲或速度变化的细节。相位信息往往蕴含着关于物质内部结构的更深层数据，但因其难以直接测量而被长期忽视。

研究团队通过结合三种前沿技术：时间-光谱映射、压缩光谱成像以及相干调制，成功实现了强度与相位的同步捕获。其核心机制在于使用一个由多个波长组成的复合激光脉冲，这些波长的光以略微不同的时刻到达目标，从而将“时间”维度转化为“波长”维度。当该激光脉冲与快速变化的事件相互作用时，散射光携带了空间、光谱和相位信息，并被压缩成单一图像。

随后，神经网络算法对这一压缩图像进行处理，分离出不同波长的成分，并重建出随时间演变的强度与相位分布。zui终，系统生成了一部由单次拍摄构成的超快“电影”，完整还原了事件的全貌。

在等离子体与半导体研究中的应用验证

初步实验结果展示了该技术的卓越性能。在水激光诱导等离子体的研究中，该技术不仅捕捉到了等离子体通道内亮度的变化，还清晰呈现了相位的显著波动。研究发现，相位的变化幅度远大于强度的波动，这揭示了此前被遗漏的关键信息：自由电子密度的形成及其对光吸收和传播的影响。这一发现对于优化激光医疗程序具有重要参考价值。

在硒化锌（znse）半导体测试中，团队观察到了载流子动力学引起的相位变化，即便此时光的强度并未发生显著改变。由于相位测量对细微过程更为敏感，这一特性使得该技术能够检测到传统强度成像无法察觉的微弱信号，为半导体器件的快速电子行为分析提供了新视角。

未来展望与行业启示

研究人员计划将此方法应用于界面动力学和超快相变的研究，这些领域要求对光的微小相位变化进行极高精度的检测。下一步，团队拟将该技术结合压缩超快摄影，以分离捕捉光谱和时间信息，进一步拓展其应用范围。

中国科研团队在基础光学成像领域的这一突破，不仅提升了我国在高端科学仪器研发上的话语权，也为国内光子学、半导体材料分析及生物医学影像行业提供了底层技术支撑。随着算法与硬件的迭代，此类单次拍摄超快成像技术有望加速国产高性能显微成像设备的国产化进程，推动相关行业从“跟随”向“引领”转变。