我國高性能條紋相機研制成功:捕捉一微秒超快現(xiàn)象
2018-05-24 10:23:10
5月22日，由中科院西安光學與精密機械研究所（以下簡稱中科院西安光機所）承擔的國家重大科研裝備研制項目“高性能條紋相機的研制”順利通過驗收，標志著我國具有自主產(chǎn)權的高性能條紋相機進入實用階段。
具備同時測量超高時間分辨率與高空間分辨率的唯一高端科學儀器
超快現(xiàn)象（持續(xù)時間小于1微秒即百萬分之一秒）廣泛存在于自然或科學技術研究中。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、化學反應的分子動力學過程、生物材料熒光發(fā)射、激光器產(chǎn)生的超短激光脈沖、強光與物質相互作用物理過程等，其發(fā)生的時間多在皮秒、飛秒甚至阿秒量級范圍內(nèi)。
中科院西安光機所所長趙衛(wèi)說：“超快現(xiàn)象研究對自然科學、能源、材料、生物、光物理、光化學、激光技術、強光物理、高能物理等研究及技術領域具有重要意義。但是捕捉這種現(xiàn)象，靠人眼和普通相機是不行的?！?/p>
中國科學院院士侯洵說：“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。
趙衛(wèi)說：“高性能條紋相機是具備能夠同時測量超高時間分辨率（皮秒和飛秒），與高空間分辨率（微米）的唯一高端科學儀器，涉及的儀器和技術已接近物理極限，代表了當前光電診斷技術的最高水平?！?/p>
“高性能條紋相機主要是提高了人類的時間分辨能力?！焙钿f，“通俗來說，條紋相機把時間分辨率轉換成空間分辨率。舉個例子，假如有一隊人依次進入一個房間，如果你想弄清楚誰先進來誰后進來，一個辦法就是讓先進來的人站屋子的一頭，后面進來的人依次排在他旁邊站隊。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>
侯洵進一步解釋，“一束光照射光電陰極，光照在上面時會發(fā)出電子，那么，當然先到的光發(fā)出的電子也在前面。電子進來之后，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，假如第一個來的電子坐在最左邊，第二個在它之后，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間順序了?！?/p>
可應用于正負電子對撞機等大型裝置和航天等領域
條紋相機的應用領域很廣。
侯洵說：“在同步輻射裝置以及正負電子對撞機等大型裝置中，條紋相機可以診斷粒子束團和光束長度等關鍵性指標，對重大裝置的改進和性能進一步提高
提供參考依據(jù)；在航天領域也有非常大的需求，是一種可以在探測器和目標同時瞬變情況下進行實時成像的系統(tǒng)。”
然而由于條紋相機應用領域的前瞻性和敏感性，一直以來，條紋相機的國際學術研究成果及器件設備的共享性很低。趙衛(wèi)說：“目前，我們國內(nèi)對條紋相機的需求量每年大約50臺。與其受制于人，不如我們自己努力來研制?！?/p>
于是，2012年起，在中國科學院和財政部的策劃支持下，中國科學院西安光學與精密機械研究所啟動了“高性能條紋相機的研制”項目，針對高性能條紋相機的時間分辨率、動態(tài)范圍和同步頻率三個主要技術指標的提升開始進行攻關。
雖然，在此之前，中科院西安光機所在條紋相機領域已經(jīng)有50多年的研究歷史，有一定的技術積累，但攻關過程仍然十分艱辛。項目團隊克服了很多難以想象的困難，最終解決了條紋相機制備過程中存在的各種工藝問題和工程實施難題，在很多關鍵技術領域取得了系列突破，獲得了多項創(chuàng)新性成果，成功研制條紋相機相關大型設備8臺套。
目前已實現(xiàn)小批量生產(chǎn)，爭取2020年年底走向市場
項目驗收會上，專家組認為：項目組完成了飛秒條紋相機、同步掃描條紋相機和大動態(tài)范圍條紋相機的研制工作，所有指標均達到實施方案規(guī)定的考核指標要求，三類條紋相機均已達到實用化，其整體性能達到國際先進水平。部分核心關鍵技術和工藝難題得以突破，達到國際領先水平。
趙衛(wèi)說：“項目還促進了兩大新領域的發(fā)展。一是提出全光固體超快成像技術研制方案，國內(nèi)首次研制成功同時具有超快時間分辨率、二維超高空間分辨率的全光固體相機，實現(xiàn)了條紋相機技術從真空到固體的跨越式發(fā)展，各項指標也達到國際水平。二是基于條紋相機研究團隊在電真空器件領域的專業(yè)優(yōu)勢，突破了大面積光電增倍管關鍵技術，為我國中微子探測實驗提供了技術保障?！?/p>
此外，項目研制期間還建成了設計與仿真平臺、電真空器件制備平臺、超快電子技術平臺、綜合測試與分析評估平臺，形成了模塊化、小批量條紋相機的研制生產(chǎn)能力，并培養(yǎng)了一支高水平的條紋相機專業(yè)化研發(fā)團隊。
中國科學院副院長張濤表示，研制儀器的最終目的是要能用好。“希望項目團隊能進一步加強儀器設別的科學應用，促進重大科研成果產(chǎn)出，做好產(chǎn)業(yè)化推廣，更好地服務國家基礎前沿研究?！?/p>
趙衛(wèi)透露：“目前項目已實現(xiàn)了小批量生產(chǎn)，預計到2020年年中，實現(xiàn)條紋相機的規(guī)?；a(chǎn)和銷售，達到每年200臺，到2020年年底走向市場?！?/p>
