在日常生活中，超高像素的相機已經(jīng)非常常見，甚至手機都能拍攝非常精細的照片。但在科研領(lǐng)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(jīng)無能為力，科學(xué)家只能求助于高端科學(xué)儀器。
5月22日，由中國科學(xué)院西安光學(xué)與精密機械研究所承擔(dān)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(chǎn)權(quán)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(nèi)發(fā)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(xiàn)在，性能最好的相機能夠做到每秒拍攝2000張，但對廣泛存在于自然或科學(xué)技術(shù)中的超快現(xiàn)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(jīng)產(chǎn)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(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)的分子動力學(xué)過程、生物材料的熒光發(fā)射、激光器產(chǎn)生的超短激光脈沖、強光與物質(zhì)相互作用物理過程等，都屬于超快現(xiàn)象。
這些超快現(xiàn)象對科學(xué)研究的重要意義不言而喻。“只有把這些過程看清楚了，科學(xué)家才有可能去干預(yù)這些過程，并控制其朝著對人類有用的方向發(fā)展。”中科院院士侯洵說。
但要觀測、記錄和分析這些現(xiàn)象，只能依賴于高時間分辨的診斷儀器。
條紋相機是同時具備超高時間分辨(皮秒–飛秒級)與高空間分辨(微米級)的唯一高端科學(xué)測量與診斷儀器，每秒可以拍攝千億次到萬億次，在時間分辨的超快現(xiàn)象研究中發(fā)揮著難以替代的作用。
然而，條紋相機的研制涉及光學(xué)、光電子、超快電子學(xué)、微電子學(xué)、精密機械和計算機等多門學(xué)科，研制起點高、難度大。中科院西安光機所所長趙衛(wèi)說：“條紋相機涉及的儀器和技術(shù)已經(jīng)接近物理極限，可以說代表了當(dāng)前光電診斷技術(shù)的最高水平。”
“越是受制于人的，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(shù)，各國就越是要“藏著掖著”。作為十分敏感的尖端技術(shù)，條紋相機的國際學(xué)術(shù)研究成果及器件設(shè)備的共享性很低，國外相關(guān)的技術(shù)對我國實行嚴格的封鎖，對條紋相機也實行嚴格的出口管制。而至今，國內(nèi)也只有少量單位具備初步的研發(fā)能力。
在中科院副院長張濤看來，中國的科技發(fā)展很快，但要取得原創(chuàng)性的成果，必須要研發(fā)中國自己的儀器裝備。“中科院研制條紋相機，就是要解決國家‘卡脖子’的事情，換句話說，越是受制于人的，我們就越要自己做。”
2012年1月起，在中科院和財政部的策劃支持下，中科院西安光機所啟動了“高性能條紋相機的研制”項目，力圖發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能、高可靠性、實用化條紋相機系統(tǒng)，并形成一定的批量生產(chǎn)能力，滿足國家大科學(xué)工程和國家重大基礎(chǔ)前沿研究不斷增長的數(shù)量和高性能指標的需求。
經(jīng)過五年攻關(guān)，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。目前，項目已成功研制出八種類型的條紋相機，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光飛秒條紋相機的時間分辨率達到450飛秒，可用于飛秒化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)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(fù)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(lǐng)域發(fā)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，解決了我國條紋相機這一高端科學(xué)儀器受制于人的窘境，得到了業(yè)內(nèi)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(shù)是我們國家尖端技術(shù)寶貴的基礎(chǔ)。”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(fā)揮著開創(chuàng)者與引領(lǐng)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(tài)范圍條紋相機的研制工作，所有技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)和工藝難題得以突破，達到國際領(lǐng)先水平。項目還建成了設(shè)計與仿真平臺、電真空器件制備平臺、超快電子學(xué)技術(shù)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。
國產(chǎn)高性能條紋相機的問世，可能會為許多科學(xué)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(guān)鍵性能指標，為重大裝置的改進和性能提升提供參考依據(jù);在國防安全及空間領(lǐng)域，條紋相機技術(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)武器性能評估的關(guān)鍵測量手段;而基于條紋相機技術(shù)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(wèi)看來，“儀器造出來，項目只成功了一半”。他們還要實現(xiàn)小批量生產(chǎn)能力，滿足國家大科學(xué)工程和國家重大基礎(chǔ)前沿研究不斷增長的數(shù)量和高性能指標的需求。
如今，西安光機所已經(jīng)具備了月產(chǎn)4臺條紋相機、8只條紋管的生產(chǎn)能力，成為國內(nèi)唯一的集設(shè)計、生產(chǎn)、檢測為一體的條紋相機研發(fā)基地。
張濤希望，團隊要以項目驗收作為新的工作起點，持續(xù)推動核心關(guān)鍵技術(shù)突破，保持儀器設(shè)備的核心競爭力;要進一步加強儀器設(shè)備的科學(xué)應(yīng)用，促進重大科研成果產(chǎn)出;盡早實現(xiàn)研制儀器的產(chǎn)業(yè)化推廣，更好地服務(wù)國家基礎(chǔ)前沿研究，滿足國際戰(zhàn)略需求。
