主题：请教，关于光子的成像 -- 桥上

见到一篇报道：[URL=https://www.guancha.cn/industry-science/2019_06_03_504159.shtml?s=sygdkx]每秒4万亿帧-我科学家用超快摄像机捕获光的运动[URL]，有三点没明白，特向这里的大牛请教：

一、这里说“成功捕获到光子的运动”，是否违反了测不准原理？

二、这里说“利用飞秒激光丰富的频率成分”，我怎么记得激光是单一频率啊？

三、这个技术到底怎么回事，在物理学上有何意义？

下面是原文：

据科技日报6月3日报道，记者2日从西安交通大学获悉，该校电信学部陈烽教授团队与香港城市大学王立代博士团队合作，提出一种全新“压缩超快时间光谱成像术”（简称超快压缩成像），在帧率、帧数和精细光谱成像等方面突破了现有超快成像技术的局限，成功捕获到光子的运动。相关成果近日发表在《物理评论快报》上。

西安交大科研人员提出的这种新型的超快成像技术是探知各种未知瞬态过程的一项关键核心技术，如化学反应过程中原子的运动、超短激光脉冲作用材料时发生的瞬态非线性过程等。超快压缩成像通过对飞秒激光进行数字编码，并在时间和光谱维度上进行压缩和解压缩，从而能够同时实现高速度、高帧数以及高光谱分辨率。超快压缩成像的超高帧率可以达到3.85THz（1THz=10¹²Hz），和亚纳米级超高光谱分辨率。研究人员通过这种超快压缩成像技术实时记录了飞秒激光脉冲的传播、反射以及自聚焦等持续时间达到33皮秒的超快物理过程。

超快压缩成像的基本原理是飞秒激光时间—光谱相互耦合原理，它的实现主要是通过3个关键步骤，首先是利用飞秒激光丰富的频率成分，通过色散将不同的波长在时域上拉伸，形成一个叫做“啁啾脉冲”的高速时间序列。第二步是这个拉伸的时间序列与测量的瞬态过程进行相互作用。这样，不同的波长成分就可以记录超快过程不同的时间信息。进而对这一时间序列进行二维的空间编码，并利用色散将不同的光谱信息压缩在一个二维平面上并采用CCD采集，最终利用算法将一幅二维的CCD图像重建成具有空间和时间维度的多幅超快图像。

该成果使得长时间、宽光谱地记录飞秒影像成为可能，将推动更多涉及超快过程的极端物理、化学、材料和生物学的研究。

一，这个技术属于某种超高速摄影，并非记录光子的运动轨迹本身，而是让光子和测量对象发生作用，然后接收带有被测信息的光子，从而解算出被测量。所谓“成功捕获到光子的运动”，实际上是指“成功观测到光子（由被测量引起）的变化”，文字表达上的问题。

这个不违反不确定性原理，即便是真的测出光子的轨迹，记得已经有实验室做到了拍摄光子在镜面间反射的动态图像，也不违反不确定性原理。不确定性原理是指不可能同时无限精确地测量某些物理量对子，比如位置和动量，时间和能量，单独测量位置并不会触碰不确定性原理。

二，一般意义上的激光是单频的，这也是激光最基本的特点之一。不过飞秒激光是个特殊的激光，名字起的有点迷惑性。它本质上是一个极短的电磁脉冲，宽度是飞秒量级。而一般的可见光的周期也是飞秒量级，这就意味着所谓光脉冲中甚至包含不到一个完整周期，这就不能用通常意义上的光去理解和对待了。作为对比，一个典型的可见光的光子含有几百万个周期。

如果学过傅立叶变换的话，可以知道，时域和频域是对偶的，时域里极短的脉冲，对应频域里极宽的频谱，脉冲越窄，频谱越宽，飞秒脉冲就是这样。通常的激光恰好相反，是连续发光的，时域范围极宽，于是频域范围极窄，就是所谓单一频率。

其实自激光诞生以来，就分为连续和脉冲两个流派，世界上第一台激光器是脉冲的，连续激光是后来才出现的。当脉冲比较长时，秒量级，毫秒量级，微秒量级，可以当做短暂的连续激光对待。而当脉冲变窄到皮秒，甚至飞秒量级的时候，脉冲宽度和光波的周期处于同一量级，甚至更短的时候，就会发生天翻地覆的变化，这时的脉冲激光就不再是短暂的连续激光了，而是变成完全不同的另外一种存在了，其性质可以用来做很多有趣的事情，比如文中的超高速摄影。

三，从通俗意义上，你不妨把这种东西理解为闪光灯，一种发光时间极短的闪光灯，就像迪斯科舞厅里的快闪灯，连续闪动的灯光之下，舞者的动作看上去变成了一帧一帧跳动的图像。抛开物理过程不论，效果大致如此。

从多个渠道的报道来看，似乎这个拍摄方法不是真正的按时间顺序在拍摄，而是用很多个镜头对准画面，但是每个镜头用不同频谱观察。然后根据各镜头被触发的时间不同，按触发顺序复原整个时间-画面变化过程。

这样就解决了如何在极短时间记录图像的问题。反正可以理解为每个飞秒只有一个镜头工作和记录，记录完了就交给另外的镜头工作。

由于飞秒激光会激发很宽广的频谱，所以满足足够多镜头去观察。

不知这样测猜测对不对？

如果我没理解错的话，好像对于单个电子而言，测量就会使其脱离原有状态，好比改变运动方向之类，所谓飞秒激光，一个脉冲里有多少个光子，或者说有什么数量级的光子？没个光子是否依其能量其频率是固定的？好像有个什么定理，如果是这样，飞秒激光每个脉冲里光子的频率分布似乎也是受到限制的，但似乎不应是任意的，应符合某种分布规律。

采用多镜头轮流拍摄，是普通高速摄影中的常用手段，不过需要对各个相机进行同步曝光控制，其时间精度应当小于帧间隔时间，或者说控制频率必须高于帧率，大概一个数量级。

本文的场合并不适用这种技术，其拍摄时间不过33ps，帧率3THz左右，这就要求30THz的控制信号，目前的电子技术没有办法达成这么高频率、高时间精度的同步控制。实际上这个频率的电磁波已经属于红外线了，差不多相当于人体温度对应的黑体辐射频率，这超出电学进入光学范畴了。

从报道的附图看，他们采用了数字微镜对返回光进行调制，又经过光栅反射，用单个CCD接收，图像中同时包含空间和时间信息，然后通过解算，得到时序图像。

因为看不到详细的说明或者论文原文，更具体的实现方法只能猜测一下：脉冲中包含不同频率的光，不同频率的光对应不同时间的图像，光栅具有色散作用，把不同频率的光折射到CCD上的不同位置，这其实就相当于把一块CCD当多个镜头用了，但是图像之间是互相重叠的，数字微镜的作用是在图像上预加记号，然后根据记号把不同帧分开。大意如此。

这项技术用到的飞秒激光和脉冲调制都不是什么新技术，飞秒激光成像也不是什么新东西，但以前都是静态的，这次的突破在于动态成像，这是一个非常了不起的进展。之所以能实现动态成像，关键至于编码和解码。到底如何编码，如何解算，应该就是这项技术的关键所在了。

“测量改变电子状态”这种表述本身是有问题的，物体的状态只有测量之后才可以被我们知道，至于测量之前是什么状态，实际上是没有办法讨论的，既然没有测量，天知道是什么状态。我们只能说，测量之后，我们看到电子呈现出某种状态。并不是测量改变电子的运动方向，而是测量之后电子表现出某个运动方向，之前的事情只有上帝知道。

这个问题最好就此打住，否则量子纠缠和塌缩，薛定谔的猫，观察者效应，自由意志，多重宇宙，物质的实在性，意识和物质的关系等等玄学问题就都冒出来了。

光子的能量等于其频率乘以普朗克常数，你说的应该是这个公式。

脉冲里的光子数目，还真没算过，这个取决于脉冲宽度和强度，从量级上大概估算一下：一个可见光的光子大约为电子伏特量级，大约10^-19焦耳量级，单次飞秒脉冲的能量范围很大，从毫焦到焦耳量级，更大更小也都有，定性地说，包含10的十几次方个光子的样子吧。

脉冲里光子的频率分布当然是有规律的，从数学上说，就是时域中脉冲波形的傅立叶变换，这个是可以严格计算的。一般时域里是钟型的，傅立叶变换后，在频域里也是钟型，宽度和前者成反比。

量子力学不是玄学，但玄学家都喜欢靠谈量子力学来装逼。本质是不懂装懂。