我國高性能條紋相機(jī)研制成功:捕捉一微秒超快現(xiàn)象
2018-05-24 10:23:10
5月22日，由中科院西安光學(xué)與精密機(jī)械研究所（以下簡稱中科院西安光機(jī)所）承擔(dān)的國家重大科研裝備研制項(xiàng)目“高性能條紋相機(jī)的研制”順利通過驗(yàn)收，標(biāo)志著我國具有自主產(chǎn)權(quán)的高性能條紋相機(jī)進(jìn)入實(shí)用階段。
具備同時(shí)測量超高時(shí)間分辨率與高空間分辨率的唯一高端科學(xué)儀器
超快現(xiàn)象（持續(xù)時(shí)間小于1微秒即百萬分之一秒）廣泛存在于自然或科學(xué)技術(shù)研究中。例如，植物的光合作用過程、超大規(guī)模集成電路所產(chǎn)生的電脈沖、化學(xué)反應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)過程、生物材料熒光發(fā)射、激光器產(chǎn)生的超短激光脈沖、強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用物理過程等，其發(fā)生的時(shí)間多在皮秒、飛秒甚至阿秒量級(jí)范圍內(nèi)。
中科院西安光機(jī)所所長趙衛(wèi)說：“超快現(xiàn)象研究對自然科學(xué)、能源、材料、生物、光物理、光化學(xué)、激光技術(shù)、強(qiáng)光物理、高能物理等研究及技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義。但是捕捉這種現(xiàn)象，靠人眼和普通相機(jī)是不行的。”
中國科學(xué)院院士侯洵說：“我們?nèi)祟愌劬Φ姆直婺芰κ?/24秒，也就是說，任何變化快于1/24秒的過程，我們眼睛是看不清楚的。事情發(fā)生了，眼睛只能看到的是起始的情況和最終的情況，中間的過程是看不清楚的?！?/p>
那么，該借助什么儀器來捕捉超快現(xiàn)象呢？答案是高性能條紋相機(jī)。
趙衛(wèi)說：“高性能條紋相機(jī)是具備能夠同時(shí)測量超高時(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?！?/p>
“高性能條紋相機(jī)主要是提高了人類的時(shí)間分辨能力?！焙钿f，“通俗來說，條紋相機(jī)把時(shí)間分辨率轉(zhuǎn)換成空間分辨率。舉個(gè)例子，假如有一隊(duì)人依次進(jìn)入一個(gè)房間，如果你想弄清楚誰先進(jìn)來誰后進(jìn)來，一個(gè)辦法就是讓先進(jìn)來的人站屋子的一頭，后面進(jìn)來的人依次排在他旁邊站隊(duì)。最后根據(jù)空間上他們站的位置，就可以清楚地知道誰先來誰后來?！?/p>
侯洵進(jìn)一步解釋，“一束光照射光電陰極，光照在上面時(shí)會(huì)發(fā)出電子，那么，當(dāng)然先到的光發(fā)出的電子也在前面。電子進(jìn)來之后，我們就可以用電磁場來操縱，就是掃描。電子經(jīng)過掃描之后，假如第一個(gè)來的電子坐在最左邊，第二個(gè)在它之后，后面依次類推。然后根據(jù)它們的空間位置成像，看到圖像中的空間位置就可以推斷出時(shí)間順序了?！?/p>
可應(yīng)用于正負(fù)電子對撞機(jī)等大型裝置和航天等領(lǐng)域
條紋相機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣。
侯洵說：“在同步輻射裝置以及正負(fù)電子對撞機(jī)等大型裝置中，條紋相機(jī)可以診斷粒子束團(tuán)和光束長度等關(guān)鍵性指標(biāo)，對重大裝置的改進(jìn)和性能進(jìn)一步提高
提供參考依據(jù)；在航天領(lǐng)域也有非常大的需求，是一種可以在探測器和目標(biāo)同時(shí)瞬變情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)成像的系統(tǒng)?！?/p>
然而由于條紋相機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的前瞻性和敏感性，一直以來，條紋相機(jī)的國際學(xué)術(shù)研究成果及器件設(shè)備的共享性很低。趙衛(wèi)說：“目前，我們國內(nèi)對條紋相機(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研制?！?/p>
于是，2012年起，在中國科學(xué)院和財(cái)政部的策劃支持下，中國科學(xué)院西安光學(xué)與精密機(jī)械研究所啟動(dòng)了“高性能條紋相機(jī)的研制”項(xiàng)目，針對高性能條紋相機(jī)的時(shí)間分辨率、動(dòng)態(tài)范圍和同步頻率三個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)的提升開始進(jìn)行攻關(guān)。
雖然，在此之前，中科院西安光機(jī)所在條紋相機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)有50多年的研究歷史，有一定的技術(shù)積累，但攻關(guān)過程仍然十分艱辛。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)克服了很多難以想象的困難，最終解決了條紋相機(jī)制備過程中存在的各種工藝問題和工程實(shí)施難題，在很多關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得了系列突破，獲得了多項(xiàng)創(chuàng)新性成果，成功研制條紋相機(jī)相關(guān)大型設(shè)備8臺(tái)套。
目前已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，爭取2020年年底走向市場
項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)上，專家組認(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，三類條紋相機(jī)均已達(dá)到實(shí)用化，其整體性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。部分核心關(guān)鍵技術(shù)和工藝難題得以突破，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
趙衛(wèi)說：“項(xiàng)目還促進(jìn)了兩大新領(lǐng)域的發(fā)展。一是提出全光固體超快成像技術(shù)研制方案，國內(nèi)首次研制成功同時(shí)具有超快時(shí)間分辨率、二維超高空間分辨率的全光固體相機(jī)，實(shí)現(xiàn)了條紋相機(jī)技術(shù)從真空到固體的跨越式發(fā)展，各項(xiàng)指標(biāo)也達(dá)到國際水平。二是基于條紋相機(jī)研究團(tuán)隊(duì)在電真空器件領(lǐng)域的專業(yè)優(yōu)勢，突破了大面積光電增倍管關(guān)鍵技術(shù)，為我國中微子探測實(shí)驗(yàn)提供了技術(shù)保障?！?/p>
此外，項(xiàng)目研制期間還建成了設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)、電真空器件制備平臺(tái)、超快電子技術(shù)平臺(tái)、綜合測試與分析評估平臺(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)專業(yè)化研發(fā)團(tuán)隊(duì)。
中國科學(xué)院副院長張濤表示，研制儀器的最終目的是要能用好?！跋Ｍ?xiàng)目團(tuán)隊(duì)能進(jìn)一步加強(qiáng)儀器設(shè)別的科學(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)國家基礎(chǔ)前沿研究?！?/p>
趙衛(wèi)透露：“目前項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)，預(yù)計(jì)到2020年年中，實(shí)現(xiàn)條紋相機(jī)的規(guī)模化生產(chǎn)和銷售，達(dá)到每年200臺(tái)，到2020年年底走向市場。”
