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光合作用的过程能看见?高性能条纹相机或许能实现
[ 玉溪网   发布时间:2018-06-19   进入社区    来源:经济日报   点击:0 ]

图为5200皮秒条纹变像管。
图为5200皮秒条纹变像管。

图为大动态范围条纹相机。
图为大动态范围条纹相机。

图为飞秒条纹相机。 记者 郭静原摄
图为飞秒条纹相机。 记者 郭静原摄

国家重大科研装备研制项目“高性能条纹相机的研制”顺利通过验收—— 标注时空成像新速度

按下快门,依靠高速摄像机每秒几百幅画面的拍摄速率,能够慢镜头回放激烈的体育赛事,看清运动员一呼一吸间的动作差异。而在这瞬息万变的世界里,人类所能观察到的景象还不仅如此

近日,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”顺利通过验收,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,对于实现超快诊断相关技术与精密测量仪器的自主研制生产,满足国家重大工程、国家战略高技术及前沿科学领域的需求具有极其重要的战略性推动作用。

窥探微观世界瞬息万变

条纹相机是同时具备超高时间分辨与高空间分辨的唯一高端科学测量与诊断仪器——它把时间到来的先后顺序转换成空间进行判断,根据空间位置窥探瞬态过程

人类在追求突破“衍射极限”(指一个理想点物经光学系统成像,由于衍射的限制,不可能得到理想像点)空间分辨的同时,也在不遗余力地追求能够实现“分子电影”那样的时间分辨成像工具。与显微技术用来观测微观世界的空间放大,是人眼空间分辨能力的延伸类似,超高速成像则是观测瞬态事件的时间放大,是人眼时间分辨能力的延长。

所谓瞬态事件,是指持续时间小于1微秒的超快现象,这种现象广泛存在于自然或科学技术研究中。例如,植物的光合作用过程、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的物理过程等,多在皮秒、飞秒甚至阿秒量级范围内。

要知道,1皮秒相当于1秒/1万亿。光可在1秒钟内绕地球7圈半,而在1皮秒内只能传播0.3毫米,在1飞秒内也就能走0.3微米,还不到一根头发丝的百分之一。

“这些超快现象的研究对自然科学、能源、材料、光生物、光物理、光化学、激光技术、强光物理、高能物理等均具有重要意义。而观测、记录和分析这些现象又依赖于高时间分辨的诊断仪器。”中国科学院西安光机所所长赵卫说。

对神奇现象的研究唯快难破,中国科学院院士侯洵告诉记者,“人眼的时间分辨能力是二十四分之一秒,也就是说,任何变化快于二十四分之一秒的过程,我们眼睛是看不清楚的。事情发生后,眼睛只能看到起始情况和最终情况,不具备对中间过程的分辨能力”。

目前,性能最好的普通照相机可每秒拍摄2000张图像,但面对超快现象却束手无策。那么,运用条纹相机就能做到吗?

赵卫介绍,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。它涉及的仪器和技术已接近物理极限,代表了当前光电诊断技术的最高水平,是实现微观和超快过程探测的必要手段。

“通俗来说,假如有一队人快速走进来,光靠肉眼我们分不清谁先谁后,只有让他们按照一定秩序入座,根据空间定位才能知道谁先进来、谁后进来。”侯洵向记者举例道,条纹相机就是把时间到来的先后顺序转换成空间进行判断,根据空间位置窥探瞬态过程。

侯洵进一步解释,“同理可证,一束光照射在光电阴极上会发出电子,先到的光所发出的电子自然排在前面,通过电磁场对电子扫描,就可以根据电子停留的空间位置成像,从而推断出它的时间顺序”。

突破尖端仪器装备欠缺

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,要想不受制于人,我国就必须制造自己的仪器装备

利用条纹相机,所能获取的图像信息可不止先后次序这么简单。

“以植物光合作用为例,作为地球上最大的太阳能利用过程,国际上的相关研究已经产生了6个诺贝尔奖。但光与叶绿素接触后,究竟是如何变成化学能保留下来的?这其中的演化过程太快了,至今还没有被研究清楚。”侯洵说。

不仅如此,在同步辐射装置以及正负电子对撞机等大型装置中,条纹相机可以诊断粒子束团的长度等关键性能指标,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;基于条纹相机技术的新型激光三维成像雷达,是一种可以在探测器和目标物同时高速移动的情况下进行瞬时成像的系统,可用于水雷搜索、海矿探测、地形地貌勘探等。

在前沿技术研发与国家重大科学工程面前,条纹相机都能派上大用场。“而只有把这些过程看清楚了,科学家才有可能进行干预,控制其朝着对人类有用的方向发展。”侯洵说。

“但是,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封锁,并对条纹相机实行严格的出口管制。”赵卫表示,条纹相机的研制涉及光学、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,国内仅有少数单位具备初步研发能力,而西安光机所已在条纹相机领域拥有50多年的研究历史。

在中国科学院副院长张涛看来,想取得原创性科研成果,必须要打造中国自己的仪器装备。“中国科学院研制条纹相机,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。”张涛说。

2012年1月份,在中国科学院和财政部的策划支持下,西安光机所承担了“高性能条纹相机的研制”国家重大科研装备项目,旨在进一步提高条纹相机的综合功能和性能指标,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需求。

长达5年的时间里,西安光机所在条纹相机的性能提升、种类发展、生产标准等方面艰苦攻关、不断创新技术。目前,他们已成功研制出8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测量需求。

批量化生产专注实用

目前,3类条纹相机均已进入实用化,部分核心关键技术和工艺达到国际领先水平,预计到2020年可逐步推向市场

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,3类条纹相机均已进入实用化,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。

此外,项目还建成设计与仿真平台、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条纹相机专业化研发团队。专家组一致同意项目通过验收。

据验收团队成员介绍,高性能条纹相机已应用到西安电子科技大学的研究课题中——通过观察罗丹明细胞大分子浓度随时间的变化,反映出细胞活动规律,有助于新药研发,为发育生物学、癌症诊断和细胞疗法等领域提供参考。

“工欲善其事,必先利其器。仪器研发后,如果只是给科学家本人使用,就不能真正对行业起到促进作用。”张涛在充分肯定项目所取得成果的同时,指出项目团队应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,满足国际战略需求。

“目前,我们已建立条纹相机技术规范和标准,形成可仪器化条纹相机的生产能力;打破国际禁运与封锁,保证我国未来几十年基础前沿科学、战略高技术、国家大科学工程等领域对高性能条纹相机的需求。”赵卫透露,项目已实现小批量生产,预计到2020年,可实现条纹相机的规模化生产和销售,逐步推向市场。(记者 郭静原)

编辑:蒋婵雯
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