超快激光诱导等离子体、材料烧蚀、光化学反应以及生物瞬态过程通常发生在皮秒甚至更短时间尺度，对成像速度提出了万亿帧每秒量级的要求。然而，传统CCD和CMOS探测器受物理响应时间限制，难以直接记录这类瞬态过程。现有条纹相机、压缩超快摄影、频谱分幅成像和泵浦-探测成像等技术虽然能够实现高速成像，但往往存在系统体积大、成本高、视场或空间分辨率受限、依赖专用器件以及需要重复测量等问题，因而难以用于不可重复、随机发生的瞬态事件。基于此，亟需一种兼具单次曝光、万亿帧级速度、小型化、可集成和低成本特点的超快成像技术。基于此，本文研究内容提出角谱编码单次曝光超快摄影技术。该方法首先利用啁啾光纤布拉格光栅将飞秒脉冲展宽为约6ps的啁啾探测脉冲，使不同波长分量对应不同到达时刻，建立时间-波长映射。随后，研究人员设计了一种由多层介质薄膜组成的光子芯片，使不同波长的探测光在不同入射角下形成差异化的后焦面角谱图案，从而在像素尺度完成波长和角谱信息编码。创新点一是提出了基于角谱编码的单次曝光超快摄影新架构，将啁啾脉冲的时间-波长映射与多层薄膜芯片的角度—波长响应相结合，使时间信息能够通过角谱图案进行像素级编码。二是使用融合残差卷积网络和Transformer模块的ERCNN模型，同时提取局部图像特征与长距离全局关联，实现复杂角谱编码信息的高精度反演。三是实现了0.83 Tfps、六帧、单次曝光的皮秒动态成像，在保持4 nm光谱分辨率和约100 μm空间分辨率的同时，完成了真实激光-材料相互作用过程的实验验证。文章结论为本文提出并验证了一种物理编码与计算重建相结合的单次曝光超快成像方法。系统利用啁啾探测脉冲将时间信息映射到波长维度，再通过强化学习设计的多层介质光子芯片将波长信息编码为不同角谱图案，最后利用融合Transformer的卷积神经网络完成光谱和时间序列反演。实验结果表明，该系统可以在一次曝光中获取六帧图像，实现0.83 Tfps成像，并成功观测皮秒尺度的激光诱导金属损伤和等离子体演化。相较于依赖条纹相机、复杂色散器件或重复泵浦-探测测量的传统方法，ASUP在结构紧凑、芯片化、成本控制和单次事件记录方面具有明显优势。启发在于超快成像性能的提升不一定完全依赖更高速的电子探测器，也可以通过“光学前端编码＋计算后端解码”的方式，把探测器难以直接分辨的时间信息转换到波长、角度和空间等可测维度。
文献来源：Light: Science & Applications, 15, 267 (2026).
作者：Chen Huang, Chunqi Jin, Yi Chen, Xin Zhang, Chunrui Wang, Hanyu Zheng, Xueqing Liu, Qidai Chen, Junjie Sun & Fei Chen.
报告人：高恩博
