基础科学技术的最新进展需要观测极其难以重复且时空复杂度不断升级的超快动态过程。为此，超快成像技术必须实现超高帧率的连续记录，并在单次拍摄中获取大量图像帧。为攻克这一难题，光谱-时间超快摄影技术凭借其独特优势脱颖而出——通过观测脉冲的光谱维度来捕捉超快过程的时间维度。相较于其他采用非互易检测维度的单次超快成像方法，该技术凭借独特的光谱-时间互易性展现出显著优势。目前，光谱-时间超快摄影已能实现单次检测数百帧、探测窗口覆盖飞秒至纳秒量级、时间分辨率达数十飞秒的突破性成果。本文将系统梳理当前最先进的光谱-时间超快成像技术发展现状。讨论了光谱-时间观测脉冲的产生和光谱图像序列的恢复这两个主要步骤，最后总结了目前的方法和发展前景。

图1.期刊封面图

上图为西西智研制作

图2.光谱-时间超快摄影方案

图3.通过声光可编程色散滤波器（AOPDF）生成光谱-时间观测脉冲（图AOPDF)：(a)皮秒级时间尺度的调制观测脉冲；(b)皮秒-纳秒级跨时域观测脉冲生成系统）

图4.自由空间角啁啾增强延迟（FACED）系统原理

图5.用于纳秒级光谱-时间观测脉冲的“光谱穿梭”与“光谱电路桥”原理示意图。（a，b）光谱穿梭原理示意图。(c)光谱电路桥原理示意图。(d)通过光谱穿梭技术测得的观测脉冲序列光谱与时间特性。(e)通过光谱电路桥技术测得的观测脉冲序列光谱与时间特性图片版权说明

图6.基于潜光电梯阵列的空间映射装置（SMD）。图(a)为SMD结构示意图。(b)潜光电梯阵列示意图。(c)激光烧蚀过程及(d)晶格振动过程由SMD记录，不同持续时间的啁啾脉冲照射超快过程

图7.基于切片镜的SMD系统（SM-SMD）。(a)原理说明。64(b)切片镜实物图。(c)基于二维切片镜的时空图像恢复系统及其在(d)观测超快等离子体丝状结构中的应用

图8.光谱滤波顺序时序全光学映射摄影技术（SF-STAMP）。(a)原理说明。（b−d）SF系统重建的光谱图像：(b)等离子体丝状结构动态；(c)超快相变过程；(d)激光烧蚀动态。(e)无透镜SF成像方法。(f)通过无透镜SF成像技术捕捉到的等离子体扩展过程中沿光轴方向的复振幅（实部、虚部及相位）分布与相位分布

图9.啁啾光谱映射超快成像技术（CSMUP，全称Chirped spectral mapping ultrafast Photography）的原理示意图：(a)CSMUP技术架构；(b)CSMUP应用的高光谱相机（HSC）像素化滤光片阵列配置；(c)基于HSC的图像恢复系统静态空间分辨率验证；(d)CSMUP记录的激光烧蚀过程

图10.基于积分视场光谱（IFS）的空间-光谱映射系统。(a)IFS原理示意图。(b)IFS中的微透镜阵列，其旋转方向与光栅色散方向一致。(c)通过采样点阵列色散重建的原始图像。(d)激光烧蚀过程重构图

图11.傅里叶域层析成像技术（FDT）用于记录二维超快折射率变化。(a)FDT原理及工作示意图。(b)基于(a)中二维光谱仪记录的干涉图样重建的超快折射率变化图像

图12.基于压缩感知（CS）的图像压缩与重建。(a)压缩超快光谱-时间（CUST）摄影方案及系统示意图。(b)CUST捕获的激光脉冲在二硫化碳介质中的运动。(c)压缩超快光谱摄影（CUSP）方案。(d)CUSP捕获的BGO板内部光传播过程

图13.高通道光谱-时间主动记录技术（H-STAR）(a，b）和扫描编码孔径实时飞秒光刻技术（SCARF）（c−e）。(a)H-STAR的示意图(b)H-STAR记录的飞秒-皮秒时间尺度下的激光诱导等离子体动力学(c)SCARF的示意图(d) SCARF记录了入射到硒化锌（<硒化锌>）板上的环形激光脉冲产生的超快吸收动力学的透射图像(e) SCARF记录了GdFeCo薄膜超快退磁过程的反射图像，并分析了其中p和s偏振条件

图14.通过压缩光场形貌（COFT）技术中的近光场与远光场测量方法，获取检测到的超快过程三维相位分布。

图15.单光子偏振分辨超快成像技术（PUMP）。(a)原理与方案。(b)通过PUMP记录的ITO薄膜激光烧蚀动态过程

该研究聚焦单脉冲光谱 - 时间超快成像技术，系统阐述其基础原理、核心方法与应用场景。原理层面，围绕单次测量同步捕获光信号的光谱与时间维度信息展开，突破传统超快成像需多次采样的局限；方法上，对比不同技术方案的空间分辨率、时间分辨能力及光谱覆盖范围，优化光路设计与信号重构算法，提升成像效率与精度；应用领域涵盖光子晶体动态响应观测、生物分子超快光物理过程追踪等，验证了技术在基础科研与工程实践中的实用价值，为研究纳秒至飞秒量级瞬态现象提供了可靠工具。

未来可从三方面推进该技术发展：一是突破现有探测极限，进一步提升时间分辨率与光谱分辨率，拓展观测波段范围；二是推动技术微型化与集成化，降低设备成本与操作复杂度，促进其向多学科普及；三是加强与人工智能等技术融合，实现成像数据的实时分析与智能解读，助力发现更多未知的超快物理化学过程，为光子学、材料科学、生命科学等领域的创新研究提供更强支撑。

本文内容来自期刊ACS Photonics . 2025年发表, 第12卷, 3319−3336页，以Single-Shot Spectral-Temporal Ultrafast Photography: Fundamentals, Methods, and Applications为题的文章。原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c00135

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