PDF《捕捉 1 微秒内的超快现象》

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2018 年5月23 日 星期三

5 月22 日, 由中科院西安光学与 精密机械研究所 (以下简称中科院西 安光机所) 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 产权的高性能条纹相机进入实用阶段.

具备同时测量超高时间分辨率与高空 间分辨率的唯一高端 科学仪器 超快现象(持续时间小于1微秒即百万分之一秒) 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、 化学反应的分子动力学 过程、 生物材料荧光发射、 激光器产 生的超短激光脉冲、 强光与物质相互 作用物理过程等, 其发生的时间多在 皮秒、 飞秒甚至阿秒量级范围内. 中科院西安光机所所长赵卫说:"超快现象研究对自然科学、能源、材料、生物、光物理、光化学、激光技术、 强光物理、 高能物理等研究 及技术领域具有重要意义.但是捕 捉这种现象,靠人眼和普通相机是不行的. " 中国科学院院士侯洵说: "我们 人类眼睛的分辨能力是1/24 秒,也就是说,任何变化快于1/24 秒的过程, 我们眼睛是看不清楚的.事情发 生了, 眼睛只能看到的是起始的情况 和最终的情况, 中间的过程是看不清 楚的. " 那么, 该借助什么仪器来捕捉超 快现象呢?答案是高性能条纹相机. 赵卫说: "高性能条纹相机是具 备能够同时测量超高时间分辨率 (皮 秒和飞秒) , 与高空间分辨率 (微米) 的唯一高端科学仪器, 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. " "高性能条纹相机主要是提高了 人类的时间分辨能力. " 侯洵说, "通 俗来说, 条纹相机把时间分辨率转换 成空间分辨率.举个例子, 假如有一 队人依次进入一个房间, 如果你想弄 清楚谁先进来谁后进来, 一个办法就 是让先进来的人站屋子的一头, 后面 进来的人依次排在他旁边站队.最 后根据空间上他们站的位置, 就可以 清楚地知道谁先来谁后来. " 侯洵进一步解释, "一束光照射 光电阴极,光照在上面时会发出电子, 那么, 当然先到的光发出的电子 也在前面.电子进来之后, 我们就可 以用电磁场来操纵, 就是扫描.电子 经过扫描之后, 假如第一个来的电子 坐在最左边, 第二个在它之后, 后面 依次类推.然后根据它们的空间位 置成像, 看到图像中的空间位置就可 以推断出时间顺序了. " 可应用于正负电子对撞机等大型装置 和航天等领域 条纹相机的应用领域很广. 侯洵说: "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和光束长度 等关键性指标, 对重大装置的改进和 性能进一步提高提供参考依据;

在航 天领域也有非常大的需求, 是一种可 以在探测器和目标同时瞬变情况下 进行实时成像的系统. " 然而由于条纹相机应用领域的 前瞻性和敏感性, 一直以来, 条纹相 机的国际学术研究成果及器件设备 的共享性很低.赵卫说: "目前, 我们 国内对条纹相机的需求量每年大约

50 台.与其受制于人,不如我们自己努力来研制. " 于是,

2012 年起, 在中国科学院 和财政部的策划支持下, 中国科学院 西安光学与精密机械研究所启动了 "高性能条纹相机的研制" 项目, 针对 高性能条纹相机的时间分辨率、 动态 范围和同步频率三个主要技术指标 的提升开始进行攻关. 虽然, 在此之前, 中科院西安光 机所在条纹相机领域已经有