高速光谱与成像技术的应用（下）

引言

时间分辨光谱与成像技术是现代科学研究中不可或缺的分析工具，它们通过捕捉物质在时间维度上的动态变化，为理解超快物理、化学和生物过程提供了独特视角。瞬态时间分辨光学成像技术可为多次曝光和单次曝光两种方式。一般情况下，多次曝光技术用于可以循环的超快过程， 如飞秒化学用于液体中超快过程的研究。这些过程具有可重复性，通过多次曝光可以进一步提高探测的灵敏度。对于不可重复的瞬态过程，通过单一成像系统进行高速连续测量*终可以捕捉到瞬态事件的瞬态变化过程，并通过调整曝光时间和间隔来实现时间分辨率的控制，实现对瞬态现象的测量和分析。如激光惯性约束聚变( Inertial confinement fusion，ICF)、磁约束聚变的内爆测量、二维内爆动力学研究以及ICF靶丸对称性等，这些不可重复的瞬态过程需要利用单次曝光的方式进行测量。本文介绍一些时间分辨光谱与成像技术*新研究进展及其在各领域的创新应用，为相关领域的研究者提供相关的技术参考和应用指导。

多次曝光超快光学技术的应用

多次曝光通过重复触发相机或成像系统来捕捉瞬态事件的不同时间阶段以实现超快成像。多次曝光超快光学成像以泵浦探测为主，通过调整探测延时获取动态信息。超快成像时代的到来带来了变化速度以皮秒(Picosecond，10-12s)及更短的时间单元衡量的瞬态现象，能够观测并记录超快现象的成像技术称为超快成像技术(Ultrafast Imaging Techniques)。超快成像技术主要应用包括化学反应中超快过程的可视化研究，化学反应中存在着许多超快过程，如化学键的断裂和形成、电子的转移以及化合物异构等，这些过程均已到达皮秒甚至飞秒量级的时间尺度。

利用诸如泵浦-探针技术的超快探测手段对化学反应中的超快过程进行可视化研究，可以对原子分子的转化过程及状态进行精准分析，进一步认清化学反应的微观机理，为指导优化一些重要的化学反应提供了依据。

图1. 激发光选用515nm聚焦光束（激发功率密度为25mJ/cm2），以700nm探测光（带宽40nm）进行成像， 探测时间为(a)0.5ps，(b)0.9ps，(c) 2.0ps，(d)20.0ps的二维TAM光谱，在不同的延迟时间下标记出半高宽。(e)激发功率密度为25mJ/cm2时载流子密度分布图。[1]

金属中超快热载流子弛豫涉及激发电子和声子相互作用的非平衡动力学过程。金属中热载流子声子之间的耦合导致了超短时间尺度上的非线性扩散行为。[2] 如图2B所示，使用超快显微镜来对热电子在金薄膜中的时空扩散进行成像，通过以20nm的空间精度和0.25ps的时间分辨率跟踪局部瞬态反射率，发现两种不同的扩散机制：*初几皮秒内的初始快速扩散，随后在较长时间内缓慢扩散约，扩散速度减小了100倍。根据实验的观测结果，建立了两种扩散机制，分别是热电子扩散和和声子限制的热扩散。[2]

半导体材料内载流子动力学的研究一直是材料领域的研究热点，该领域的研究对认识半导体材料内部微观机理以及指导半导体器件研制等方面具有重要意义。二维（2D）过渡金属二硫族化合物（Two Dimensional Transition Metal Sulfide，TMDs）的优异半导体特性使其在未来电子和光电子器件的发展中具有很高的前景。TMDS的广泛研究认为，它们在导带边缘以上产生二维受限热载流子，使得依赖于这种瞬态激发态存在很多潜在的应用。如图2所示，利用瞬态吸收显微镜（Transient absorption microscope，TAM）研究了单层MoS2的室温时空热载流子动力学， 超快载流子动力学经过超快速膨胀，随后再经过快速的负扩散，*终是带边C激子的缓慢长期膨胀。[8] 超快瞬态吸收显微镜提供了直接的实验证据，证明了异常负扩散过程是由泵浦激光激发后引起的热声子瓶颈效应，造成热载流子的空间收缩。

图2. 扫描超快热调节显微镜的原理图。(A)在环境温度下， 导带电子的能量分布受到光激发的扰动。它迅速演变为具有高电子温度（Te）的准热化“热电子”，符合费米-狄拉克分布。而晶格温度（Tl）保持接近环境水平。由于电子-声子耦合和热载流子扩散的后续冷却导致电子和晶格子系统之间的热交换和热平衡。(B)激光脉冲照射50nm的金薄膜，从而引起局部热电子分布。探测光脉冲测量温度相关的瞬态反射率（DR/R）。(C)探测光监测光致DR/R光斑尺寸的时空演变，以可视化和区分热电子扩散和热（声子限制）扩散。[2]

图3. 金属热电子的两步扩散动力学。(A)瞬态反射信号DR/R的时空动态， 泵浦能量密度1.0 mJ/ cm2下，随时间变化的瞬态反射信号的轮廓变化。(B)通过高斯拟合提取DR/R空间轮廓的平方宽度演化。[2]

超快光谱与光学成像可用于高时空分辨的生物显微光谱与成像，如植物天然光合蛋白的光合作用机制的研究。植物的光合作用能够将太阳能“固化”，为地球生物提供了几乎所有的能量来源， 而光合反应过程的内在机理研究为人类探索实现人工光合作用带来了可能。如图4，紫外光合细菌存在4个亚基在光合反应中的电子转移过程，研究表明光合反应中的电子转移在皮秒量级的时间尺度上发生。除此之外，DNA中转录过程、病毒入侵宿主细胞、血红蛋白与氧气结合等过程的研究，均需要高时空分辨的显微成像技术进行有效观测。

图4. 紫色细菌光合反应中心的电子转移过程示意图

单次曝光超快光学技术的应用

泵浦探测技术在处理高度可重复的瞬态事件方面表现出明显优势，但对于不稳定或不可逆过程，对于单次超快过程，如超强激光成丝、元件损伤、不可逆化学反应等，在这些情况下，泵浦探测的方法难以发挥作用。此外，针对重复频率低或发次与发次间有显著变化的瞬态事件，如惯性约束聚变点火、高密度等离子体演化等，能够在单次探测过程中获取多帧光谱信息或二维图像的单次曝光超快光学成像被不断开发。单次超快光学成像技术可通过主动或被动方式实现。主动方式利用定制脉冲串探测瞬态事件，每个脉冲都具有独特标记， 以便在检测时提取并分配到相应的时间戳。被动方式则仅使用超快探测器接收信号，瞬态事件可以直接被成像或通过计算重构恢复。

近年来，单次曝光超快成像借助光场调制或信息复用实现了跨越式发展，为了打破传统CCD或CMOS相机的数据读出速度限制，单次曝光超快成像技术通常将瞬态场景的时间信息转换到波长、角度、空间或空间频域等其它维度，形成一一对应关系，再利用相应维度的分辨手段实现超快探测。华东师范大学张诗按研究员团队发展了一种新型单次曝光偏振映射超快成像技术，研究了约百纳米厚的氧化铟锡薄膜的超快激光烧蚀动力学过程，成功观测到薄膜在200皮秒照明时间窗口下的烧蚀演化过程，有助于对其烧蚀机制进行分析。[3]

图.飞秒激光烧蚀ITO薄膜的超快成像: (a)实验设计，(b)200 ps照明激光脉冲时偏振映射关系。(c) ITO膜烧蚀的时空演变，(d)烧蚀区透射率差ΔT/T，(e)飞秒激光烧蚀ITO薄膜的机理.[3]

惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion，ICF）是利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应的一种方法。其基本思想是：利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料（氘、氚）形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。由于这种核聚变是依靠等离子体粒子自身的惯性约束作用而实现的，因而称为惯性约束聚变。惯性约束聚变(Inertial confinement fusion，ICF)[4] 是目前*有可能实现可控核聚变的技术之一，该领域的研究探索科学的新前沿，致力于解决人类面临的能源问题，为开发清洁、可持续的能源奠定基础。如图5所示，ICF的实现方式是将多路高能短脉冲激光注入黑腔，对靶丸加热压缩以实现聚变点火，相关理论模型和数值计算均已非常成熟， 但当前的聚变点火实验仍未达到预期的目标， 研究遇到了瓶颈，亟需相关的诊断技术对实验进行改进和优化。而ICF发生在极小的空间(0.1~1mm)， 极短的时间(~ns)，且部分过程如内爆热斑的持续时间只有100~200ps，这需要诊断技术具备ps级甚至百fs级的超高时间分辨能力以及μm级的高空间分辨能力，超快成像技术在ICF研究中不可或缺。[5]

结论

本文介绍了几种典型的时间分辨光谱与成像技术的典型的应用，利用基于利用泵浦探测技术飞秒瞬态吸收成像实现对二维半导体材料中光生载流子飞秒分辨瞬态成像，利用飞秒瞬态吸收研究金属中超快热载流子弛豫和扩散的非平衡动力学过程研究。另外飞秒瞬态吸收光谱也广泛应用于研究光合作用反应中心的电荷转移和能量转移，DNA转录过程等重要过程。利用单次曝光技术研究不可重复的瞬态过程，如利用超快脉冲时序化的主动成像技术（单次曝光偏振映射超快成像）研究了约百纳米厚的氧化铟锡薄膜的超快激光烧蚀动力学过程，利用超快门控分幅相机进行惯性约束聚变（ICF）点火过程进行诊断。随着科技的快速发展，许多研究朝着更小的空间、更短的时间尺度迈进，具备高时空分辨的超快成像技术在众多领域中的需求迫切性越来越强烈，应用越来越广泛。

参考文件

[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] 白晓红. 用于ICF诊断的高时空分辨分幅成像关键技术研究[D]. 中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)，2011.