北京
时间超分辨色散傅里叶变换光谱测量原理图
导读
近日，华东师范大学重庆研究院曾和平教授与闫明研究员团队在超快光谱测量领域取得重要进展。研究团队实现了基于光学存储腔的时间超分辨色散傅里叶变换光谱测量，解决了传统时间拉伸光谱在超快测量中面临的光谱混叠问题，实现了相隔仅数皮秒的非重复超快光谱事件实时测量。
研究成果以“Temporally super-resolved dispersive Fourier transformations spectroscopy”为题，于2026年6月29日发表于《自然·光子学》 (Nature Photonics)。
研究背景
超快光谱测量是研究激光动力学、材料相变、化学反应和生物分子动力学等瞬态过程的重要手段。许多关键过程发生在皮秒甚至更短时间尺度内，并具有随机性和不可重复性。传统泵浦-探测方法通常依赖过程多次重复，难以完整记录单次事件;而基于时空编码或条纹相机的光谱技术，则存在存储深度和实时性的限制。时域色散傅里叶变换光谱技术(亦称“时间拉伸”光谱)，可以实现连续实时光谱测量，但成谱速度或时间分辨能力受限于脉冲重复周期。当相邻事件间隔过短时，则会产生光谱混叠，限制其在超快光学研究中的作用。
为应对这一挑战，研究团队发展了基于光学存储腔的时间超分辨色散傅里叶变换光谱技术。该技术将携带不同瞬态光谱信息的超短脉冲存储在光学腔中，再通过时间“门”逐次读取脉冲，从而避免相邻光谱信号的重叠。研究团队成功将时域光谱测量技术推进至皮秒尺度，为非重复超快过程的实时观测提供了新的方案。
研究创新点
1. 构建光学时间超分辨测量新机制
研究团队将光学存储腔引入时间拉伸光谱测量中，使携带不同光谱信息的超短脉冲在腔内形成受控复制和延时;随后通过异步取样方式，逐个读取光谱事件。该方法相当于将极快的“光谱电影”先存储、再逐帧播放，从测量机制上避免了相邻光谱信号在时间拉伸过程中的重叠。
2. 将连续单次光谱测量推进至皮秒时间尺度
传统时间拉伸光谱受时间混叠限制，连续测量的时间分辨能力通常停留在纳秒尺度。研究团队通过时间超分辨读取方式，将连续单次光谱测量推进至皮秒尺度。实验中，团队成功分辨了25 GHz电光频率梳脉冲的光谱演化过程，并进一步区分了相隔仅3 ps的瞬态光谱事件，将时间拉伸光谱技术的时间分辨能力提升了3个量级。
时间超分辨色散傅里叶变换光谱的实验装置
3. 拓展非重复超快过程的实时观测能力
该方法不依赖待测过程的多次重复，能够保留随机、瞬态和不可重复事件的连续光谱演化信息。相比常规泵浦-探测技术，该技术更适合观测光学怪波、锁模激光启动动力学、微腔动力学、激光诱导等离子体、材料相变和化学反应等非重复超快过程，为超快光谱和实时精密测量提供了新的技术路径。
相隔3ps光谱事件的时间超分辨测量结果
总结与展望
本研究为超快光谱测量提供了一种新的技术路径，可用于观测非重复、不可控的瞬态光谱和随机演化过程。结合频率上转换技术，该方法可进一步拓展至中红外分子指纹光谱区域，为化学分析、生物检测和材料科学等领域提供超快光谱测量工具。
曾和平教授与闫明研究员团队长期致力于基于光学频率梳的分子指纹光谱与精密测量技术研究，先后发展了腔光力增强双光梳光谱[Nature Comm. 14, 5037 (2023)]、红外时间拉伸光谱[Laser Photon. Rev. 18, 2300630 (2024)]、时域双目视觉3D成像[Nature Comm. 16, 6839 (2025)]、量子关联增强双光梳光谱[Light Sci. Appl. 14, 257 (2025)]等新方法与新技术。相关工作得到了国家科技重大专项、重庆市、海南省及上海市的资助。
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