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，科學家只能求助于高端科學儀器。
5月22日，由中國科學院西安光學與精密機械研究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(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、半導體材料的載流子壽命、化學反應(yīng)的分子動力學過程、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(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、光電子、超快電子學、微電子學、精密機械和計算機等多門學科，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，可用于飛秒化學反應(yīng)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(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。
