每秒千万亿次向科学“眨眼”：我国高性能条纹相机仪器和技术接近物理极限

互推小编 2024-01-22

在日常生活中，超高像素的相机已经非常常见，甚至手机都能拍摄非常精细的照片。但在科研领域，想拍个超短激光脉冲或者植物的光合作用？对不起，家用相机已经无能为力，科学家只能求助于高端科学仪器。

5月22日，由中国科学院西安光学与精密机械研究所承担的国家重大科研装备研制项目“高性能条纹相机的研制”通过专家组验收，这标志着我国具有自主知识产权的高性能条纹相机进入实用化水平。

高端仪器的“皇冠”

人类的眼睛只能看到1/24秒之内发生的事情，任何快于这个时间的过程，人类都只能借助机器。现在，性能最好的相机能够做到每秒拍摄2000张，但对广泛存在于自然或科学技术中的超快现象仍然无能为力。

以植物的光合作用为例，作为地球上最大的太阳能利用过程，已经产生了6枚诺贝尔奖奖章，但其机理至今还没有被研究清楚，就是因为其中的过程太快了。

此外，超大规模集成电路所产生的电脉冲、半导体材料的载流子寿命、化学反应的分子动力学过程、生物材料的荧光发射、激光器产生的超短激光脉冲、强光与物质相互作用物理过程等，都属于超快现象。

这些超快现象对科学研究的重要意义不言而喻。“只有把这些过程看清楚了，科学家才有可能去干预这些过程，并控制其朝着对人类有用的方向发展。”中科院院士侯洵说。

但要观测、记录和分析这些现象，只能依赖于高时间分辨的诊断仪器。

条纹相机是同时具备超高时间分辨（皮秒~飞秒级）与高空间分辨（微米级）的唯一高端科学测量与诊断仪器，每秒可以拍摄千亿次到万亿次，在时间分辨的超快现象研究中发挥着难以替代的作用。

然而，条纹相机的研制涉及光学、光电子、超快电子学、微电子学、精密机械和计算机等多门学科，研制起点高、难度大。中科院西安光机所所长赵卫说：“条纹相机涉及的仪器和技术已经接近物理极限，可以说代表了当前光电诊断技术的最高水平。”

“越是受制于人，越要自己做”

对重大科研装备有所了解的人都知道，越是尖端的技术，各国就越是要“藏着掖着”。作为十分敏感的尖端技术，条纹相机的国际学术研究成果及器件设备的共享性很低，国外相关技术对我国实行严格的封锁，对条纹相机也实行严格的出口管制。而至今，国内也只有少数单位具备初步的研发能力。

在中科院副院长张涛看来，中国的科技发展很快，但要取得原创性的成果，必须要研发中国自己的仪器装备。“中科院研制条纹相机，就是要解决国家‘卡脖子’的事情；换句话说，越是受制于人的，我们就越要自己做。”

2012年1月起，在中科院和财政部的策划支持下，中科院西安光机所启动了“高性能条纹相机的研制”项目，力图发展具有自主知识产权的高性能、高可靠性、实用化条纹相机系统，并形成一定的批量生产能力，满足国家大科学工程和国家重大基础前沿研究不断增长的数量和高性能指标的需求。

经过五年攻关，解决了条纹相机制备过程中存在的各种工艺问题和工程实施难题。目前，项目已成功研制出八种类型的条纹相机，满足了不同应用背景和一些特殊应用环境的需求。

比如，X光飞秒条纹相机的时间分辨率达到450飞秒，可用于飞秒化学反应的动力学过程、飞秒激光特性等的测量；同步扫描条纹相机主要用于对极微弱光信号的多次重复扫描测量，如荧光光谱、荧光寿命等；而超小型条纹相机，则有望在航天测绘、空间对抗与攻防和水下探测等领域发挥重要作用。

“仪器造出来，项目只成功了一半”

项目的研制成果，解决了我国条纹相机这一高端科学仪器受制于人的窘境，得到了业内专家及用户的高度评价。中科院院士林尊琪评价称：“这些技术是我国尖端技术宝贵的基础。”中国工程物理研究院研究员李正宏则说：“西安光机所在高性能条纹相机研制过程中发挥着开创者与引领者的重要作用。”

专家组一致认为，项目组完成了飞秒条纹相机、同步扫描条纹相机和大动态范围条纹相机的研制工作，所有技术指标均达到实施方案规定的考核指标要求，三类条纹相机均已达到实用化，其整体性能达到国际先进水平。部分核心关键技术和工艺难题得以突破，达到国际领先水平。项目还建成了设计与仿真平台、电真空器件制备平台、超快电子学技术平台、综合测试与分析评估平台，形成了模块化、小批量条纹相机的研制生产能力，并培养了一支高水平的条纹相机专业化研发团队。

国产高性能条纹相机的问世，可能会为许多科学研究打开新的世界。比如，在同步辐射装置及正负电子对撞机中，条纹相机可以诊断关键性能指标，为重大装置的改进和性能提升提供参考依据；在国防安全及空间领域，条纹相机技术是爆轰物理研究中冲击波速度、自由面速度以及爆轰温度等常规武器性能评估的关键测量手段；而基于条纹相机技术的新型激光三维成像雷达，可用于水雷搜索、海矿探测、地形地貌勘探等。

但在赵卫看来，“仪器造出来，项目只成功了一半”。他们还要实现小批量生产能力，满足国家大科学工程和国家重大基础前沿研究不断增长的数量和高性能指标的需求。

如今，西安光机所已经具备了月产4台条纹相机、8只条纹管的生产能力，成为国内唯一的集设计、生产、检测于一体的条纹相机研发基地。

张涛希望，团队要以项目验收作为新的工作起点，持续推动核心关键技术突破，保持仪器设备的核心竞争力；要进一步加强仪器设备的科学应用，促进重大科研成果产出；尽早实现研制仪器的产业化推广，更好地服务国家基础前沿研究，满足国家战略需求。

《中国科学报》（2018-05-23 第1版要闻）