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圖為5200皮秒條紋變像管。

圖為大動(dòng)態(tài)范圍條紋相機(jī)。

圖為飛秒條紋相機(jī)。記者?郭靜原攝

　　按下快門，依靠高速攝像機(jī)每秒幾百幅畫面的拍攝速率，能夠慢鏡頭回放激烈的體育賽事，看清運(yùn)動(dòng)員一呼一吸間的動(dòng)作差異。而在這瞬息萬(wàn)變的世界里，人類所能觀察到的景象還不僅如此

　　近日，由中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所承擔(dān)的國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目——“高性能條紋相機(jī)的研制”順利通過驗(yàn)收，標(biāo)志著我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能條紋相機(jī)進(jìn)入實(shí)用化水平，對(duì)于實(shí)現(xiàn)超快診斷相關(guān)技術(shù)與精密測(cè)量?jī)x器的自主研制生產(chǎn)，滿足國(guó)家重大工程、國(guó)家戰(zhàn)略高技術(shù)及前沿科學(xué)領(lǐng)域的需求具有極其重要的戰(zhàn)略性推動(dòng)作用。

　　窺探微觀世界瞬息萬(wàn)變

　　條紋相機(jī)是同時(shí)具備超高時(shí)間分辨與高空間分辨的唯一高端科學(xué)測(cè)量與診斷儀器——它把時(shí)間到來的先后順序轉(zhuǎn)換成空間進(jìn)行判斷，根據(jù)空間位置窺探瞬態(tài)過程

　　人類在追求突破“衍射極限”（指一個(gè)理想點(diǎn)物經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像，由于衍射的限制，不可能得到理想像點(diǎn)）空間分辨的同時(shí)，也在不遺余力地追求能夠?qū)崿F(xiàn)“分子電影”那樣的時(shí)間分辨成像工具。與顯微技術(shù)用來觀測(cè)微觀世界的空間放大，是人眼空間分辨能力的延伸類似，超高速成像則是觀測(cè)瞬態(tài)事件的時(shí)間放大，是人眼時(shí)間分辨能力的延長(zhǎng)。

　　所謂瞬態(tài)事件，是指持續(xù)時(shí)間小于1微秒的超快現(xiàn)象，這種現(xiàn)象廣泛存在于自然或科學(xué)技術(shù)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、半導(dǎo)體材料的載流子壽命、化學(xué)反應(yīng)的分子動(dòng)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(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的物理過程等，多在皮秒、飛秒甚至阿秒量級(jí)范圍內(nèi)。

　　要知道，1皮秒相當(dāng)于1秒／1萬(wàn)億。光可在1秒鐘內(nèi)繞地球7圈半，而在1皮秒內(nèi)只能傳播0.3毫米，在1飛秒內(nèi)也就能走0.3微米，還不到一根頭發(fā)絲的百分之一。

　　“這些超快現(xiàn)象的研究對(duì)自然科學(xué)、能源、材料、光生物、光物理、光化學(xué)、激光技術(shù)、強(qiáng)光物理、高能物理等均具有重要意義。而觀測(cè)、記錄和分析這些現(xiàn)象又依賴于高時(shí)間分辨的診斷儀器?！敝袊?guó)科學(xué)院西安光機(jī)所所長(zhǎng)趙衛(wèi)說。

　　對(duì)神奇現(xiàn)象的研究唯快難破，中國(guó)科學(xué)院院士侯洵告訴記者，“人眼的時(shí)間分辨能力是二十四分之一秒，也就是說，任何變化快于二十四分之一秒的過程，我們眼睛是看不清楚的。事情發(fā)生后，眼睛只能看到起始情況和最終情況，不具備對(duì)中間過程的分辨能力”。

　　目前，性能最好的普通照相機(jī)可每秒拍攝2000張圖像，但面對(duì)超快現(xiàn)象卻束手無(wú)策。那么，運(yùn)用條紋相機(jī)就能做到嗎？

　　趙衛(wèi)介紹，條紋相機(jī)是同時(shí)具備超高時(shí)間分辨（皮秒—飛秒級(jí)）與高空間分辨（微米級(jí)）的唯一高端科學(xué)測(cè)量與診斷儀器。它涉及的儀器和技術(shù)已接近物理極限，代表了當(dāng)前光電診斷技術(shù)的最高水平，是實(shí)現(xiàn)微觀和超快過程探測(cè)的必要手段。

　　“通俗來說，假如有一隊(duì)人快速走進(jìn)來，光靠肉眼我們分不清誰(shuí)先誰(shuí)后，只有讓他們按照一定秩序入座，根據(jù)空間定位才能知道誰(shuí)先進(jìn)來、誰(shuí)后進(jìn)來?！焙钿蛴浾吲e例道，條紋相機(jī)就是把時(shí)間到來的先后順序轉(zhuǎn)換成空間進(jìn)行判斷，根據(jù)空間位置窺探瞬態(tài)過程。

　　侯洵進(jìn)一步解釋，“同理可證，一束光照射在光電陰極上會(huì)發(fā)出電子，先到的光所發(fā)出的電子自然排在前面，通過電磁場(chǎng)對(duì)電子掃描，就可以根據(jù)電子停留的空間位置成像，從而推斷出它的時(shí)間順序”。

　　突破尖端儀器裝備欠缺

　　作為十分敏感的尖端技術(shù)，條紋相機(jī)的國(guó)際學(xué)術(shù)研究成果及器件設(shè)備的共享性很低，要想不受制于人，我國(guó)就必須制造自己的儀器裝備

　　利用條紋相機(jī)，所能獲取的圖像信息可不止先后次序這么簡(jiǎn)單。

　　“以植物光合作用為例，作為地球上最大的太陽(yáng)能利用過程，國(guó)際上的相關(guān)研究已經(jīng)產(chǎn)生了6個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。但光與葉綠素接觸后，究竟是如何變成化學(xué)能保留下來的？這其中的演化過程太快了，至今還沒有被研究清楚?！焙钿f。

　　不僅如此，在同步輻射裝置以及正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)等大型裝置中，條紋相機(jī)可以診斷粒子束團(tuán)的長(zhǎng)度等關(guān)鍵性能指標(biāo)，為重大裝置的改進(jìn)和性能提升提供參考依據(jù)；在國(guó)防安全及空間領(lǐng)域，條紋相機(jī)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(píng)估的關(guān)鍵測(cè)量手段；基于條紋相機(jī)技術(shù)的新型激光三維成像雷達(dá)，是一種可以在探測(cè)器和目標(biāo)物同時(shí)高速移動(dòng)的情況下進(jìn)行瞬時(shí)成像的系統(tǒng)，可用于水雷搜索、海礦探測(cè)、地形地貌勘探等。

　　在前沿技術(shù)研發(fā)與國(guó)家重大科學(xué)工程面前，條紋相機(jī)都能派上大用場(chǎng)。“而只有把這些過程看清楚了，科學(xué)家才有可能進(jìn)行干預(yù)，控制其朝著對(duì)人類有用的方向發(fā)展?！焙钿f。

　　“但是，作為十分敏感的尖端技術(shù)，條紋相機(jī)的國(guó)際學(xué)術(shù)研究成果及器件設(shè)備的共享性很低，國(guó)外相關(guān)技術(shù)對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格封鎖，并對(duì)條紋相機(jī)實(shí)行嚴(yán)格的出口管制?！壁w衛(wèi)表示，條紋相機(jī)的研制涉及光學(xué)、超快電子學(xué)、微電子學(xué)、精密機(jī)械和計(jì)算機(jī)等多門學(xué)科，研制起點(diǎn)高、難度大，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)單位具備初步研發(fā)能力，而西安光機(jī)所已在條紋相機(jī)領(lǐng)域擁有50多年的研究歷史。

　　在中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)張濤看來，想取得原創(chuàng)性科研成果，必須要打造中國(guó)自己的儀器裝備?！爸袊?guó)科學(xué)院研制條紋相機(jī)，就是要解決國(guó)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?！睆垵f。

　　2012年1月份，在中國(guó)科學(xué)院和財(cái)政部的策劃支持下，西安光機(jī)所承擔(dān)了“高性能條紋相機(jī)的研制”國(guó)家重大科研裝備項(xiàng)目，旨在進(jìn)一步提高條紋相機(jī)的綜合功能和性能指標(biāo)，發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能、高可靠性、實(shí)用化條紋相機(jī)系統(tǒng)，并形成一定的批量生產(chǎn)能力，滿足國(guó)家大科學(xué)工程和國(guó)家重大基礎(chǔ)前沿研究不斷增長(zhǎng)的數(shù)量和高性能指標(biāo)需求。

　　長(zhǎng)達(dá)5年的時(shí)間里，西安光機(jī)所在條紋相機(jī)的性能提升、種類發(fā)展、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)等方面艱苦攻關(guān)、不斷創(chuàng)新技術(shù)。目前，他們已成功研制出8種類型的條紋相機(jī)，滿足了不同應(yīng)用背景和一些特殊應(yīng)用環(huán)境的測(cè)量需求。

　　批量化生產(chǎn)專注實(shí)用

　　目前，3類條紋相機(jī)均已進(jìn)入實(shí)用化，部分核心關(guān)鍵技術(shù)和工藝達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，預(yù)計(jì)到2020年可逐步推向市場(chǎng)

　　專家組一致認(rèn)為：項(xiàng)目組完成了飛秒條紋相機(jī)、同步掃描條紋相機(jī)和大動(dòng)態(tài)范圍條紋相機(jī)的研制工作，所有技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到實(shí)施方案規(guī)定的考核指標(biāo)要求，3類條紋相機(jī)均已進(jìn)入實(shí)用化，整體性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；部分核心關(guān)鍵技術(shù)和工藝難題得以突破，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

　　此外，項(xiàng)目還建成設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)、電真空器件制備平臺(tái)、超快電子學(xué)技術(shù)平臺(tái)、綜合測(cè)試與分析評(píng)估平臺(tái)，形成了模塊化、小批量條紋相機(jī)的研制生產(chǎn)能力，并培養(yǎng)了一支高水平條紋相機(jī)專業(yè)化研發(fā)團(tuán)隊(duì)。專家組一致同意項(xiàng)目通過驗(yàn)收。

　　據(jù)驗(yàn)收?qǐng)F(tuán)隊(duì)成員介紹，高性能條紋相機(jī)已應(yīng)用到西安電子科技大學(xué)的研究課題中——通過觀察羅丹明細(xì)胞大分子濃度隨時(shí)間的變化，反映出細(xì)胞活動(dòng)規(guī)律，有助于新藥研發(fā)，為發(fā)育生物學(xué)、癌癥診斷和細(xì)胞療法等領(lǐng)域提供參考。

　　“工欲善其事，必先利其器。儀器研發(fā)后，如果只是給科學(xué)家本人使用，就不能真正對(duì)行業(yè)起到促進(jìn)作用?！睆垵诔浞挚隙?xiàng)目所取得成果的同時(shí)，指出項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)以項(xiàng)目驗(yàn)收作為新的工作起點(diǎn)，持續(xù)推動(dòng)核心關(guān)鍵技術(shù)突破，保持儀器設(shè)備的核心競(jìng)爭(zhēng)力；要進(jìn)一步加強(qiáng)儀器設(shè)備的科學(xué)應(yīng)用，促進(jìn)重大科研成果產(chǎn)出；盡早實(shí)現(xiàn)研制儀器的產(chǎn)業(yè)化推廣，更好地服務(wù)國(guó)家基礎(chǔ)前沿研究，滿足國(guó)際戰(zhàn)略需求。

　　“目前，我們已建立條紋相機(jī)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，形成可儀器化條紋相機(jī)的生產(chǎn)能力；打破國(guó)際禁運(yùn)與封鎖，保證我國(guó)未來幾十年基礎(chǔ)前沿科學(xué)、戰(zhàn)略高技術(shù)、國(guó)家大科學(xué)工程等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軛l紋相機(jī)的需求?！壁w衛(wèi)透露，項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，預(yù)計(jì)到2020年，可實(shí)現(xiàn)條紋相機(jī)的規(guī)?；a(chǎn)和銷售，逐步推向市場(chǎng)。

　?。ㄔd于《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》?2018-06-16?06版）