捕捉1微秒內(nèi)的超快現(xiàn)象
——高性能條紋相機(jī)誕生記

▲5月22日，西安光機(jī)所的科研人員對(duì)條紋相機(jī)的時(shí)間分辨特性進(jìn)行標(biāo)定（新華社李一博攝）

▲大動(dòng)態(tài)范圍條紋相機(jī)（新華社李一博攝）

在日常生活中，超高像素的相機(jī)已經(jīng)十分常見(jiàn)，甚至手機(jī)都能拍攝非常清晰的照片。但在科研領(lǐng)域，想拍個(gè)超短激光脈沖或者植物的光合作用？對(duì)不起，家用相機(jī)已經(jīng)無(wú)能為力，科學(xué)家只能求助于高端科學(xué)儀器。

5月22日，由中科院西安光學(xué)與精密機(jī)械研究所（下稱(chēng)“西安光機(jī)所”）承擔(dān)的國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“高性能條紋相機(jī)的研制”通過(guò)專(zhuān)家組驗(yàn)收，這標(biāo)志著我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能條紋相機(jī)進(jìn)入實(shí)用化水平。

高端儀器的“皇冠”

人類(lèi)的眼睛只能看到1/24秒之內(nèi)發(fā)生的事情，任何快于這個(gè)時(shí)間的過(guò)程，人類(lèi)都只能借助機(jī)器。

現(xiàn)在，性能最好的相機(jī)能做到每秒拍攝2000張照片，但對(duì)廣泛存在于自然或科學(xué)技術(shù)中的超快現(xiàn)象仍然無(wú)能為力。

以植物的光合作用為例。作為地球上最大的太陽(yáng)能利用過(guò)程，至今已經(jīng)產(chǎn)生了6枚諾貝爾獎(jiǎng)，但對(duì)于其機(jī)理至今還沒(méi)有被研究清楚，就是因?yàn)槠渲械倪^(guò)程太快了。

此外，超大規(guī)模集成電路所產(chǎn)生的電脈沖、半導(dǎo)體材料的載流子壽命、化學(xué)反應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程、生物材料的熒光發(fā)射、激光器產(chǎn)生的超短激光脈沖、強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用物理過(guò)程等，都屬于超快現(xiàn)象。

這些超快現(xiàn)象對(duì)科學(xué)研究的重要意義不言而喻?！爸挥邪堰@些過(guò)程看清楚了，科學(xué)家才有可能去干預(yù)這些過(guò)程，并控制其朝著對(duì)人類(lèi)有用的方向發(fā)展?！敝锌圃涸菏?、西安光機(jī)所研究員侯洵說(shuō)。

但要觀測(cè)、記錄和分析這些現(xiàn)象，只能依賴(lài)于高時(shí)間分辨的診斷儀器。

“高性能條紋相機(jī)是具備能夠同時(shí)測(cè)量超高時(shí)間分辨率（皮秒和飛秒）與高空間分辨率（微米）的唯一高端科學(xué)儀器，涉及的儀器和技術(shù)已接近物理極限，代表了當(dāng)前光電診斷技術(shù)的最高水平?！蔽靼补鈾C(jī)所所長(zhǎng)趙衛(wèi)說(shuō)。

越是受制于人越要自己做

對(duì)重大科研裝備有所了解的人都知道，越是尖端的技術(shù)，各國(guó)就越是要“藏著掖著”。作為十分敏感的尖端技術(shù)，高性能條紋相機(jī)的國(guó)際學(xué)術(shù)研究成果及器件設(shè)備的共享性很低，國(guó)外相關(guān)的技術(shù)對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格的封鎖，對(duì)高性能條紋相機(jī)也實(shí)行嚴(yán)格的出口管制。而至今，國(guó)內(nèi)也只有少量單位具備初步的研發(fā)能力?！澳壳?，國(guó)內(nèi)對(duì)條紋相機(jī)的需求量每年大約50臺(tái)。與其受制于人，不如我們自己努力來(lái)研制?！壁w衛(wèi)說(shuō)得斬釘截鐵。

2012年1月起，在中科院和財(cái)政部的策劃支持下，西安光機(jī)所啟動(dòng)了“高性能條紋相機(jī)的研制”項(xiàng)目，力圖發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能、高可靠性、實(shí)用化條紋相機(jī)系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)5年攻關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)解決了高性能條紋相機(jī)制備過(guò)程中存在的各種工藝問(wèn)題和工程實(shí)施難題。目前，項(xiàng)目已成功研制出8種類(lèi)型的條紋相機(jī)，滿足了不同應(yīng)用背景和一些特殊應(yīng)用環(huán)境的需求。

比如，x光飛秒條紋相機(jī)的時(shí)間分辨率達(dá)到450飛秒，可用于飛秒化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程、飛秒激光特性等的測(cè)量；同步掃描條紋相機(jī)主要用于對(duì)極微弱光信號(hào)的多次重復(fù)掃描測(cè)量，如熒光光譜、熒光壽命等；而超小型條紋相機(jī)則有望在航天測(cè)繪、空間對(duì)抗與攻防和水下探測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

“儀器造出來(lái)，項(xiàng)目只成功了一半”

項(xiàng)目的研制成果解決了我國(guó)高性能條紋相機(jī)這一高端科學(xué)儀器受制于人的窘境，得到了業(yè)內(nèi)專(zhuān)家及用戶的高度評(píng)價(jià)。中科院院士林尊琪評(píng)價(jià)稱(chēng)：“這些技術(shù)是我國(guó)尖端技術(shù)寶貴的基礎(chǔ)?！敝袊?guó)工程物理研究院研究員李正宏則說(shuō)：“西安光機(jī)所在高性能條紋相機(jī)研制過(guò)程中發(fā)揮著開(kāi)創(chuàng)者與引領(lǐng)者的重要作用?！?/p>

專(zhuān)家組一致認(rèn)為，項(xiàng)目組完成了飛秒條紋相機(jī)、同步掃描條紋相機(jī)和大動(dòng)態(tài)范圍條紋相機(jī)的研制工作，所有技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到實(shí)施方案規(guī)定的考核指標(biāo)要求，三類(lèi)條紋相機(jī)均已達(dá)到實(shí)用化，其整體性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。部分核心關(guān)鍵技術(shù)和工藝難題得以突破，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。項(xiàng)目還建成了設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)、電真空器件制備平臺(tái)、超快電子學(xué)技術(shù)平臺(tái)、綜合測(cè)試與分析評(píng)估平臺(tái)，形成了模塊化、小批量條紋相機(jī)的研制生產(chǎn)能力，并培養(yǎng)了一支高水平的條紋相機(jī)專(zhuān)業(yè)化研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

國(guó)產(chǎn)高性能條紋相機(jī)的問(wèn)世，可能會(huì)為許多科學(xué)研究打開(kāi)新的世界。比如，在同步輻射裝置及正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)中，條紋相機(jī)可以診斷關(guān)鍵性能指標(biāo)，為重大裝置的改進(jìn)和性能提升提供參考依據(jù)；在國(guó)防安全及空間領(lǐng)域，條紋相機(jī)技術(shù)是爆轟物理研究中沖擊波速度、自由面速度以及爆轟溫度等常規(guī)武器性能評(píng)估的關(guān)鍵測(cè)量手段；而基于條紋相機(jī)技術(shù)的新型激光三維成像雷達(dá)，可用于水雷搜索、海礦探測(cè)、地形地貌勘探等。

但在趙衛(wèi)看來(lái)，“儀器造出來(lái)，項(xiàng)目只成功了一半”。他們還要實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)能力，滿足國(guó)家大科學(xué)工程和國(guó)家重大基礎(chǔ)前沿研究不斷增長(zhǎng)的數(shù)量和高性能指標(biāo)的需求。

如今，西安光機(jī)所已經(jīng)具備了月產(chǎn)4臺(tái)條紋相機(jī)、8只條紋管的生產(chǎn)能力，成為國(guó)內(nèi)唯一的集設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢測(cè)為一體的條紋相機(jī)研發(fā)基地。

中科院副院長(zhǎng)張濤表示，研制儀器的最終目的是要能用好。“希望項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)能進(jìn)一步加強(qiáng)儀器設(shè)備的科學(xué)應(yīng)用，促進(jìn)重大科研成果產(chǎn)出，做好產(chǎn)業(yè)化推廣，更好地服務(wù)國(guó)家基礎(chǔ)前沿研究?！?/p>

趙衛(wèi)透露：“預(yù)計(jì)到2020年年中實(shí)現(xiàn)條紋相機(jī)的規(guī)?；a(chǎn)和銷(xiāo)售，達(dá)到每年200臺(tái)，當(dāng)年底爭(zhēng)取走向市場(chǎng)?！保〒?jù)科學(xué)網(wǎng)、《人民日?qǐng)?bào)》）※