捕捉超快现象的高性能条纹相机

时间:2020-12-20

转自《科普中国-科学原理一点通》


自然界中,许多现象的发生过程十分短暂,如植物的光合作用、超大规模集成电路产生的电脉冲、激光器产生的超短激光脉冲等,发生时间多在皮秒、飞秒甚至阿秒量级范围内。科学家把这种持续时间小于1微秒即百万分之一秒的现象称为超快现象。


要想捕捉这些现象,人眼和普通相机是无法实现的,人类眼睛的分辨能力是1/24秒,任何变化快于1/24秒的过程,我们用眼睛都是看不清楚的。体育比赛中常用的高倍速摄影机,每秒拍摄的画面大约是几百幅;市面上性能最好的单反相机,快门速度的极限为1/2000秒,但这些都不足以让我们捕捉广泛存在于自然或科学技术研究中极其短暂的瞬态事件。但高性能条纹相机可以解决这一问题。

条纹相机是一种超高速探测器,能捕获极短时间内发生的光发射现象。条纹相机是同时具备超高时间分辨(皮秒至飞秒)与高空间分辨(微米)的高端科学仪器,是实现微观和超快过程探测的必要手段。通俗地讲,条纹相机是将时间分辨率转换成了空间分辨率。比如有一队人依次进入一个房间,如果你想弄清楚他们进入房间的顺序,可以让先进来的人站在屋子的一头,后面进来的人依次排在他旁边站队。最后根据空间上他们的站位,分辨先来后到。


条纹相机的应用领域很广,可应用于正负电子对撞机等大型装置和航天领域。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,为重大装置的改进和性能提高提供参考依据;在航天领域也有广泛的应用空间,是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。

条纹相机的研制涉及光学、光电子、超快电子学、微电子学、精密机械和计算机等多学科,相信在不久的将来,通过科学技术的研究可以克服条纹相机研制起点高、难度大的难关。


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