深圳大学李景镇教授研究团队

“研制出国际第一台原子时间分幅-扫描同时成像仪”,

实现了原子时间尺度瞬态现象观测研究的重大突破

李景镇

（深圳大学，广东 深圳 518060）

科学研究表明，在原子水平上，物理、化学和生物学的研究是统一的，观测原子时间（皮秒至飞秒量级）过程中原子的运动和原子态的变化就能准确抓住微观（分子 / 原子）动力学过程的图景及其演化规律，发现新现象、揭示和验证新原理。然而，发生在原子时间尺度的超快现象一直是科学观测的重大挑战。

在国家重大科研仪器研制项目（61827185）的支持下，“原子时间过程的单次全光高分辨成像关键技术和设备”项目团队（以下简称“团队”）历经 6 年攻关，成功研制出国际首台原子时间分幅 - 扫描同时成像仪（ATI），实现了原子时间尺度瞬态现象观测的重大突破。

图1李景镇教授研究团队

1 主要研究成果

原子时间分幅 - 扫描同时成像仪取得了三大标志性成果：①实现了国际领先水平的原子时间尺度同一时间基准、同一空间基准的高时空分辨的分幅 - 扫描同时成像；②国际上首次实现摄影频率 40 万亿幅 /s 的高空间分辨单次极高速分幅（直接）成像；③国际先进的连续“光谱扫描”的飞秒频域扫描成像。

1.1 全球首创原子时间尺度同一时空基准分幅 - 扫描同时成像体系

原子时间分幅 - 扫描同时成像仪是国际原子时间成像领域首台分幅 - 扫描同时成像的设备，它利用全光技术手段解决了飞秒领域同一时空基准、分幅 - 扫描同时成像的技术难题。同一空间基准意味着分幅成像和扫描成像之间没有视差，可提高判读精度。全光手段（时空调控）实现同一时间基准，相对于电学或机械手段可大幅提高同步时间精度。该精度只取决于光学延时线的精度和光路稳定性，可以达到飞秒量级，对亚皮秒或飞秒级事件成像尤为重要。为保证分幅和扫描两套成像系统的零时刻对准与空间刻度统一，该系统采用同一外光学架构（同一前端区与成像物镜），并通过精密计算与实验确定双路光束能量配比，实现曝光一致性。此外，采用独创的分幅 - 扫描系统时间和空间基准定标方法。在空间上，利用静态物校准扫描系统狭缝和分幅系统空间坐标刻度；在时间上，利用具有陡峭时间边缘动态物理过程校准两个系统时间刻度。

1.2 飞秒极高速分幅成像技术创世界新纪录

团队在国际上首次实现了摄影频率 40 万亿幅 /s 的高空间分辨极高速分幅（直接）成像。分幅区采用级联的多级光参量放大闲频光成像实现，以获取原子时间尺度瞬态现象时序二维空间信息，闲频光成像有能量增强和频率变换的独特功能。具体为利用 8 级级联非共线光参量放大闲频光成像架构：前端区输出的啁啾脉冲经分束后经过超快现象，携带物体时空信息的透射光束作为信号光依次通过 8 个光参量放大器；倍频光再分为 8 路子泵浦脉冲，精确控制时延。每一路泵浦 - 信号光在非共线相位匹配条件下产生独立闲频光，实时冻结瞬态事件的二维空间信息，一次曝光即可捕获8幅10 mm×10 mm 的分幅图像。摄影频率仅由光学延时控制，摄影频率可以从0.5×10¹² 幅 /s调节到 40×10¹² 幅 /s，有 2 个量级的调节范围；曝光时间为 25 fs；空间分辨率大于20 线对 /mm。成像仪各参数独立可调，不受海森堡测不准关系制约，成为当前指标最高的全光单次极高速分幅成像仪。

1.3 国际先进的连续“光谱扫描”飞秒频域扫描成像技术

开发了连续“光谱扫描”飞秒频域扫描成像技术。将时间维度的观测转移到频谱维度，避免了机械或电子扫描可能带来的误差。利用啁啾脉冲中不同波长成分传输速度的差异，结合光栅光谱仪实现全光式扫描成像。

系统可分别实现阴影成像、频域全息成像以及压缩感知成像 3 个功能。该仪器中，扫描系统可实现 2 ～ 25 fs的时间分辨；最大记录时间取决于啁啾脉冲的啁啾，可达 44.8 ps；画幅尺寸为 22 mm×18 mm。通过频 - 时映射，可完整恢复超快过程的时域变化信息，有效补充分幅系统 8 个离散时刻记录之间的信息缺失，避免误判，提高了判读精度和获取信息的准确度。

图2 成像仪器设备

2 项目落地和推广应用情况

原子时间分幅 - 扫描同时成像仪的主要技术指标能够满足观测原子时间尺度瞬态现象的广泛需求，尤其在气体、液体、固体介质中等离子体的产生，新材料精密激光加工，以及生物分子和生物反应的瞬态过程研究中具有重要应用价值。它可用于涡旋等离子体冲击波的形成、强光高阶非线性光学效应的演变、超强激光尾场加速、超快凝聚态材料动力学、激光核聚变以及激光与物质相互作用等前沿领域的研究，为相关基础和应用研究提供关键技术支持，具有重要的科学价值。

综上，原子时间分幅 - 扫描同时成像仪是能够在较宽的原子时间尺度上实现高时空分辨率的精密成像设备，可用于基础科学研究和大科学工程的基础研究，揭示原子时间尺度中所发生的物理、化学和生物图景及其变化规律，发现新现象、探索新规律，满足许多重要现象发生在这一时间尺度内的前瞻性基础研究的急需。

3 经济效益和社会效益

团队研发的高分辨原子时间成像仪的主要技术功能指标能满足较宽领域对观测发生在原子时间尺度瞬态现象的仪器性能需求，如在光合作用、等离子体增长和衰减、半导体材料中载流子寿命的瞬时变化，以及超强激光尾场加速、超快凝聚态材料动力学过程、激光核聚变过程以及激光与物质相互作用等领域都有重要的科学研究价值、社会效益和经济价值。在可预见的未来，这一创新成果在物理、化学、生物、医学和某些国家重大科研工程领域都有着重要的应用，能发现和验证新现象、新理论和积累新的基本物理数据，其影响将涉及国家的军事、航天、科研、医疗和工业等方方面面的技术进步。

原子时间过程的单次全光高分辨成像关键技术的开发和设备的成功研制，实现了我国在该领域从跟跑到领跑的历史性跨越。该技术的不断完善和推广应用，必将在更多领域发挥重要作用，推动相关学科的发展，产生更多原创性的科学发现，为我国建设创新型国家和世界科技强国作出新的贡献。

专家简介

李景镇，项目负责人，深圳大学教授，我国优秀的光学专家和国际高速成像学者，全光极高速成像技术的开拓者。长期聚焦观测微秒、皮秒到飞秒过程的光信息，研究时间放大的理论和技术。曾获国家科技奖励6 项、省部委级科学技术奖 13 项。负责“原子时间过程的单次全光高分辨成像关键技术和设备”项目研发工作，着重于系统研究、方案布局和关键技术的研究，同时考虑课题的扩展性创新研究。团队核心成员包括前端区和先期分幅分系统负责人蔡懿副教授、扫描分系统负责人陆小微副教授、先期应用研究负责人张秀文教授、后期分幅系统负责人曾选科助理教授、仪器化负责人刘进元教授，以及骨干成员吴庆阳教授、惠彬副教授、牛丽红教授，后期应用研究负责人黄浦副教授和陈红艺副教授。

责任编辑：kj005

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