引言

時(shí)間分辨光譜與成像技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)研究中不可或缺的分析工具，它們通過捕捉物質(zhì)在時(shí)間維度上的動(dòng)態(tài)變化，為理解超快物理、化學(xué)和生物過程提供了獨(dú)特視角。瞬態(tài)時(shí)間分辨光學(xué)成像技術(shù)可為多次曝光和單次曝光兩種方式。一般情況下，多次曝光技術(shù)用于可以循環(huán)的超快過程， 如飛秒化學(xué)用于液體中超快過程的研究。這些過程具有可重復(fù)性，通過多次曝光可以進(jìn)一步提高探測(cè)的靈敏度。對(duì)于不可重復(fù)的瞬態(tài)過程，通過單一成像系統(tǒng)進(jìn)行高速連續(xù)測(cè)量最終可以捕捉到瞬態(tài)事件的瞬態(tài)變化過程，并通過調(diào)整曝光時(shí)間和間隔來實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨率的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)現(xiàn)象的測(cè)量和分析。如激光慣性約束聚變( Inertial confinement fusion，ICF)、磁約束聚變的內(nèi)爆測(cè)量、二維內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)研究以及ICF靶丸對(duì)稱性等，這些不可重復(fù)的瞬態(tài)過程需要利用單次曝光的方式進(jìn)行測(cè)量。本文介紹一些時(shí)間分辨光譜與成像技術(shù)最新研究進(jìn)展及其在各領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，為相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供相關(guān)的技術(shù)參考和應(yīng)用指導(dǎo)。

多次曝光超快光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用

多次曝光通過重復(fù)觸發(fā)相機(jī)或成像系統(tǒng)來捕捉瞬態(tài)事件的不同時(shí)間階段以實(shí)現(xiàn)超快成像。多次曝光超快光學(xué)成像以泵浦探測(cè)為主，通過調(diào)整探測(cè)延時(shí)獲取動(dòng)態(tài)信息。超快成像時(shí)代的到來帶來了變化速度以皮秒(Picosecond，10-12s)及更短的時(shí)間單元衡量的瞬態(tài)現(xiàn)象，能夠觀測(cè)并記錄超快現(xiàn)象的成像技術(shù)稱為超快成像技術(shù)(Ultrafast Imaging Techniques)。超快成像技術(shù)主要應(yīng)用包括化學(xué)反應(yīng)中超快過程的可視化研究，化學(xué)反應(yīng)中存在著許多超快過程，如化學(xué)鍵的斷裂和形成、電子的轉(zhuǎn)移以及化合物異構(gòu)等，這些過程均已到達(dá)皮秒甚至飛秒量級(jí)的時(shí)間尺度。

利用諸如泵浦-探針技術(shù)的超快探測(cè)手段對(duì)化學(xué)反應(yīng)中的超快過程進(jìn)行可視化研究，可以對(duì)原子分子的轉(zhuǎn)化過程及狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)分析，進(jìn)一步認(rèn)清化學(xué)反應(yīng)的微觀機(jī)理，為指導(dǎo)優(yōu)化一些重要的化學(xué)反應(yīng)提供了依據(jù)。

圖1. 激發(fā)光選用515nm聚焦光束（激發(fā)功率密度為25mJ/cm2），以700nm探測(cè)光（帶寬40nm）進(jìn)行成像， 探測(cè)時(shí)間為(a)0.5ps，(b)0.9ps，(c) 2.0ps，(d)20.0ps的二維TAM光譜，在不同的延遲時(shí)間下標(biāo)記出半高寬。(e)激發(fā)功率密度為25mJ/cm2時(shí)載流子密度分布圖。[1]

金屬中超快熱載流子弛豫涉及激發(fā)電子和聲子相互作用的非平衡動(dòng)力學(xué)過程。金屬中熱載流子聲子之間的耦合導(dǎo)致了超短時(shí)間尺度上的非線性擴(kuò)散行為。[2] 如圖2B所示，使用超快顯微鏡來對(duì)熱電子在金薄膜中的時(shí)空擴(kuò)散進(jìn)行成像，通過以20nm的空間精度和0.25ps的時(shí)間分辨率跟蹤局部瞬態(tài)反射率，發(fā)現(xiàn)兩種不同的擴(kuò)散機(jī)制：最初幾皮秒內(nèi)的初始快速擴(kuò)散，隨后在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)緩慢擴(kuò)散約，擴(kuò)散速度減小了100倍。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果，建立了兩種擴(kuò)散機(jī)制，分別是熱電子擴(kuò)散和和聲子限制的熱擴(kuò)散。[2]

半導(dǎo)體材料內(nèi)載流子動(dòng)力學(xué)的研究一直是材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，該領(lǐng)域的研究對(duì)認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體材料內(nèi)部微觀機(jī)理以及指導(dǎo)半導(dǎo)體器件研制等方面具有重要意義。二維（2D）過渡金屬二硫族化合物（Two Dimensional Transition Metal Sulfide，TMDs）的優(yōu)異半導(dǎo)體特性使其在未來電子和光電子器件的發(fā)展中具有很高的前景。TMDS的廣泛研究認(rèn)為，它們?cè)趯?dǎo)帶邊緣以上產(chǎn)生二維受限熱載流子，使得依賴于這種瞬態(tài)激發(fā)態(tài)存在很多潛在的應(yīng)用。如圖2所示，利用瞬態(tài)吸收顯微鏡（Transient absorption microscope，TAM）研究了單層MoS2的室溫時(shí)空熱載流子動(dòng)力學(xué)， 超快載流子動(dòng)力學(xué)經(jīng)過超快速膨脹，隨后再經(jīng)過快速的負(fù)擴(kuò)散，最終是帶邊C激子的緩慢長(zhǎng)期膨脹。[8] 超快瞬態(tài)吸收顯微鏡提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明了異常負(fù)擴(kuò)散過程是由泵浦激光激發(fā)后引起的熱聲子瓶頸效應(yīng)，造成熱載流子的空間收縮。

圖2. 掃描超快熱調(diào)節(jié)顯微鏡的原理圖。(A)在環(huán)境溫度下， 導(dǎo)帶電子的能量分布受到光激發(fā)的擾動(dòng)。它迅速演變?yōu)榫哂懈唠娮訙囟龋═e）的準(zhǔn)熱化“熱電子”，符合費(fèi)米-狄拉克分布。而晶格溫度（Tl）保持接近環(huán)境水平。由于電子-聲子耦合和熱載流子擴(kuò)散的后續(xù)冷卻導(dǎo)致電子和晶格子系統(tǒng)之間的熱交換和熱平衡。(B)激光脈沖照射50nm的金薄膜，從而引起局部熱電子分布。探測(cè)光脈沖測(cè)量溫度相關(guān)的瞬態(tài)反射率（DR/R）。(C)探測(cè)光監(jiān)測(cè)光致DR/R光斑尺寸的時(shí)空演變，以可視化和區(qū)分熱電子擴(kuò)散和熱（聲子限制）擴(kuò)散。[2]

圖3. 金屬熱電子的兩步擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。(A)瞬態(tài)反射信號(hào)DR/R的時(shí)空動(dòng)態(tài)， 泵浦能量密度1.0 mJ/ cm2下，隨時(shí)間變化的瞬態(tài)反射信號(hào)的輪廓變化。(B)通過高斯擬合提取DR/R空間輪廓的平方寬度演化。[2]

超快光譜與光學(xué)成像可用于高時(shí)空分辨的生物顯微光譜與成像，如植物天然光合蛋白的光合作用機(jī)制的研究。植物的光合作用能夠?qū)⑻柲堋肮袒?，為地球生物提供了幾乎所有的能量來源?而光合反應(yīng)過程的內(nèi)在機(jī)理研究為人類探索實(shí)現(xiàn)人工光合作用帶來了可能。如圖4，紫外光合細(xì)菌存在4個(gè)亞基在光合反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移過程，研究表明光合反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移在皮秒量級(jí)的時(shí)間尺度上發(fā)生。除此之外，DNA中轉(zhuǎn)錄過程、病毒入侵宿主細(xì)胞、血紅蛋白與氧氣結(jié)合等過程的研究，均需要高時(shí)空分辨的顯微成像技術(shù)進(jìn)行有效觀測(cè)。

圖4. 紫色細(xì)菌光合反應(yīng)中心的電子轉(zhuǎn)移過程示意圖

單次曝光超快光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用

泵浦探測(cè)技術(shù)在處理高度可重復(fù)的瞬態(tài)事件方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于不穩(wěn)定或不可逆過程，對(duì)于單次超快過程，如*強(qiáng)激光成絲、元件損傷、不可逆化學(xué)反應(yīng)等，在這些情況下，泵浦探測(cè)的方法難以發(fā)揮作用。此外，針對(duì)重復(fù)頻率低或發(fā)次與發(fā)次間有顯著變化的瞬態(tài)事件，如慣性約束聚變點(diǎn)火、高密度等離子體演化等，能夠在單次探測(cè)過程中獲取多幀光譜信息或二維圖像的單次曝光超快光學(xué)成像被不斷開發(fā)。單次超快光學(xué)成像技術(shù)可通過主動(dòng)或被動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)。主動(dòng)方式利用定制脈沖串探測(cè)瞬態(tài)事件，每個(gè)脈沖都具有獨(dú)特標(biāo)記， 以便在檢測(cè)時(shí)提取并分配到相應(yīng)的時(shí)間戳。被動(dòng)方式則僅使用超快探測(cè)器接收信號(hào)，瞬態(tài)事件可以直接被成像或通過計(jì)算重構(gòu)恢復(fù)。

近年來，單次曝光超快成像借助光場(chǎng)調(diào)制或信息復(fù)用實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，為了打破傳統(tǒng)CCD或CMOS相機(jī)的數(shù)據(jù)讀出速度限制，單次曝光超快成像技術(shù)通常將瞬態(tài)場(chǎng)景的時(shí)間信息轉(zhuǎn)換到波長(zhǎng)、角度、空間或空間頻域等其它維度，形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，再利用相應(yīng)維度的分辨手段實(shí)現(xiàn)超快探測(cè)。華東師范大學(xué)張?jiān)姲囱芯繂T團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種新型單次曝光偏振映射超快成像技術(shù)，研究了約百納米厚的氧化銦錫薄膜的超快激光燒蝕動(dòng)力學(xué)過程，成功觀測(cè)到薄膜在200皮秒照明時(shí)間窗口下的燒蝕演化過程，有助于對(duì)其燒蝕機(jī)制進(jìn)行分析。[3]

圖11.飛秒激光燒蝕ITO薄膜的超快成像: (a)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，(b)200 ps照明激光脈沖時(shí)偏振映射關(guān)系。(c) ITO膜燒蝕的時(shí)空演變，(d)燒蝕區(qū)透射率差ΔT/T，(e)飛秒激光燒蝕ITO薄膜的機(jī)理.[3]

慣性約束聚變（Inertial Confinement Fusion，ICF）是利用粒子的慣性作用來約束粒子本身，從而實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的一種方法。其基本思想是：利用驅(qū)動(dòng)器提供的能量使靶丸中的核聚變?nèi)剂希?、氚）形成等離子體，在這些等離子體粒子由于自身慣性作用還來不及向四周飛散的極短時(shí)間內(nèi)，通過向心爆聚被壓縮到高溫、高密度狀態(tài)，從而發(fā)生核聚變反應(yīng)。由于這種核聚變是依靠等離子體粒子自身的慣性約束作用而實(shí)現(xiàn)的，因而稱為慣性約束聚變。慣性約束聚變(Inertial confinement fusion，ICF)[4] 是目前最有可能實(shí)現(xiàn)可控核聚變的技術(shù)之一，該領(lǐng)域的研究探索科學(xué)的新前沿，致力于解決人類面臨的能源問題，為開發(fā)清潔、可持續(xù)的能源奠定基礎(chǔ)。如圖5所示，ICF的實(shí)現(xiàn)方式是將多路高能短脈沖激光注入黑腔，對(duì)靶丸加熱壓縮以實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，相關(guān)理論模型和數(shù)值計(jì)算均已非常成熟， 但當(dāng)前的聚變點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)仍未達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)， 研究遇到了瓶頸，亟需相關(guān)的診斷技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。而ICF發(fā)生在極小的空間(0.1~1mm)， 極短的時(shí)間(~ns)，且部分過程如內(nèi)爆熱斑的持續(xù)時(shí)間只有100~200ps，這需要診斷技術(shù)具備ps級(jí)甚至百fs級(jí)的超高時(shí)間分辨能力以及μm級(jí)的高空間分辨能力，超快成像技術(shù)在ICF研究中不可或缺。[5]

圖5. 慣性約束聚變（ICF）點(diǎn)火裝置示意圖

結(jié)論

本文介紹了幾種典型的時(shí)間分辨光譜與成像技術(shù)的典型的應(yīng)用，利用基于利用泵浦探測(cè)技術(shù)飛秒瞬態(tài)吸收成像實(shí)現(xiàn)對(duì)二維半導(dǎo)體材料中光生載流子飛秒分辨瞬態(tài)成像，利用飛秒瞬態(tài)吸收研究金屬中超快熱載流子弛豫和擴(kuò)散的非平衡動(dòng)力學(xué)過程研究。另外飛秒瞬態(tài)吸收光譜也廣泛應(yīng)用于研究光合作用反應(yīng)中心的電荷轉(zhuǎn)移和能量轉(zhuǎn)移，DNA轉(zhuǎn)錄過程等重要過程。利用單次曝光技術(shù)研究不可重復(fù)的瞬態(tài)過程，如利用超快脈沖時(shí)序化的主動(dòng)成像技術(shù)（單次曝光偏振映射超快成像）研究了約百納米厚的氧化銦錫薄膜的超快激光燒蝕動(dòng)力學(xué)過程，利用超快門控分幅相機(jī)進(jìn)行慣性約束聚變（ICF）點(diǎn)火過程進(jìn)行診斷。隨著科技的快速發(fā)展，許多研究朝著更小的空間、更短的時(shí)間尺度邁進(jìn)，具備高時(shí)空分辨的超快成像技術(shù)在眾多領(lǐng)域中的需求迫切性越來越強(qiáng)烈，應(yīng)用越來越廣泛。

參考文件

[1] Xiaofan Wei，Zihan Wang，Ziyu Wang，Yue Lu，Qingqing Ji，and Weimin Liu，Unveiling Spatiotemporal Diffusion of Hot Carriers Influenced by Spatial Nonuniform Hot Phonon Bottleneck Effect in Monolayer MoS2

Nano Letters 2024 24 (30)，9269-9275.

[2] A. Block et al.，Tracking ultrafast hot-electron diffusion in space and time by ultrafast thermomodulation microscopy.Sci. Adv.5，eaav8965(2019).

[3] Pengpeng Ding，Dalong Qi，Yunhua Yao，Yilin He，Jiali Yao，Chengzhi Jin，Zihan Guo，Lianzhong Deng，Zhenrong Sun，Shian Zhang，Single-shot polarization-resolved ultrafast mapping photography，Science Bulletin，68，2023，473-476.

[4] Yao ZM，Sheng L，Song Y，et al. Dual-channel compressed ultrafast photography for Z-pinch dynamic imaging [J]. Review of Scientific Instruments，2023，94(3): 035106.

[5] 白曉紅. 用于ICF診斷的高時(shí)空分辨分幅成像關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 中國(guó)科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)，2011.