捕捉1微秒內的超快現象
——高性能條紋相機誕生記

▲5月22日，西安光機所的科研人員對條紋相機的時間分辨特性進行標定（新華社李一博攝）

▲大動態范圍條紋相機（新華社李一博攝）

在日常生活中，超高像素的相機已經十分常見，甚至手機都能拍攝非常清晰的照片。但在科研領域，想拍個超短激光脈沖或者植物的光合作用？對不起，家用相機已經無能為力，科學家只能求助于高端科學儀器。

5月22日，由中科院西安光學與精密機械研究所（下稱“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”通過專家組驗收，這標志著我國具有自主知識產權的高性能條紋相機進入實用化水平。

高端儀器的“皇冠”

人類的眼睛只能看到1/24秒之內發生的事情，任何快于這個時間的過程，人類都只能借助機器。

現在，性能最好的相機能做到每秒拍攝2000張照片，但對廣泛存在于自然或科學技術中的超快現象仍然無能為力。

以植物的光合作用為例。作為地球上最大的太陽能利用過程，至今已經產生了6枚諾貝爾獎，但對于其機理至今還沒有被研究清楚，就是因為其中的過程太快了。

此外，超大規模集成電路所產生的電脈沖、半導體材料的載流子壽命、化學反應的分子動力學過程、生物材料的熒光發射、激光器產生的超短激光脈沖、強光與物質相互作用物理過程等，都屬于超快現象。

這些超快現象對科學研究的重要意義不言而喻。“只有把這些過程看清楚了，科學家才有可能去干預這些過程，并控制其朝著對人類有用的方向發展。”中科院院士、西安光機所研究員侯洵說。

但要觀測、記錄和分析這些現象，只能依賴于高時間分辨的診斷儀器。

“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。”西安光機所所長趙衛說。

越是受制于人越要自己做

對重大科研裝備有所了解的人都知道，越是尖端的技術，各國就越是要“藏著掖著”。作為十分敏感的尖端技術，高性能條紋相機的國際學術研究成果及器件設備的共享性很低，國外相關的技術對我國實行嚴格的封鎖，對高性能條紋相機也實行嚴格的出口管制。而至今，國內也只有少量單位具備初步的研發能力。“目前，國內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。”趙衛說得斬釘截鐵。

2012年1月起，在中科院和財政部的策劃支持下，西安光機所啟動了“高性能條紋相機的研制”項目，力圖發展具有自主知識產權的高性能、高可靠性、實用化條紋相機系統。

經過5年攻關，研究團隊解決了高性能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。目前，項目已成功研制出8種類型的條紋相機，滿足了不同應用背景和一些特殊應用環境的需求。

比如，x光飛秒條紋相機的時間分辨率達到450飛秒，可用于飛秒化學反應的動力學過程、飛秒激光特性等的測量；同步掃描條紋相機主要用于對極微弱光信號的多次重復掃描測量，如熒光光譜、熒光壽命等；而超小型條紋相機則有望在航天測繪、空間對抗與攻防和水下探測等領域發揮重要作用。

“儀器造出來，項目只成功了一半”

項目的研制成果解決了我國高性能條紋相機這一高端科學儀器受制于人的窘境，得到了業內專家及用戶的高度評價。中科院院士林尊琪評價稱：“這些技術是我國尖端技術寶貴的基礎。”中國工程物理研究院研究員李正宏則說：“西安光機所在高性能條紋相機研制過程中發揮著開創者與引領者的重要作用。”

專家組一致認為，項目組完成了飛秒條紋相機、同步掃描條紋相機和大動態范圍條紋相機的研制工作，所有技術指標均達到實施方案規定的考核指標要求，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。項目還建成了設計與仿真平臺、電真空器件制備平臺、超快電子學技術平臺、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能力，并培養了一支高水平的條紋相機專業化研發團隊。

國產高性能條紋相機的問世，可能會為許多科學研究打開新的世界。比如，在同步輻射裝置及正負電子對撞機中，條紋相機可以診斷關鍵性能指標，為重大裝置的改進和性能提升提供參考依據；在國防安全及空間領域，條紋相機技術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武器性能評估的關鍵測量手段；而基于條紋相機技術的新型激光三維成像雷達，可用于水雷搜索、海礦探測、地形地貌勘探等。

但在趙衛看來，“儀器造出來，項目只成功了一半”。他們還要實現小批量生產能力，滿足國家大科學工程和國家重大基礎前沿研究不斷增長的數量和高性能指標的需求。

如今，西安光機所已經具備了月產4臺條紋相機、8只條紋管的生產能力，成為國內唯一的集設計、生產、檢測為一體的條紋相機研發基地。

中科院副院長張濤表示，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備的科學應用，促進重大科研成果產出，做好產業化推廣，更好地服務國家基礎前沿研究。”

趙衛透露：“預計到2020年年中實現條紋相機的規模化生產和銷售，達到每年200臺，當年底爭取走向市場。”（據科學網、《人民日報》）※