中国高速摄影发展60年(上)|钩沉

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  1964101615时,新疆罗布泊荒漠上空冲天而起的巨大蘑菇云,向世界宣告中国第一颗原子弹爆炸成功。

  中国科学院西安光机所研制的ZDF-20型高速摄影机拍摄到原子弹引爆后360 μs黄金时段的72幅珍贵的照片资料,开启了中国全面发展高速摄影事业的新纪元。

  这一切要回到19623月说起。为了发展中国的核武器,解决核爆试验必需的高速摄影和耐辐照光学材料问题,根据钱三强、王淦昌等科学家的建议,经聂荣臻元帅批准,中国科学院在西安组建了以核爆试验光测任务为主要研究方向的西安光机所,委任龚祖同先生为所长。

  龚祖同先生受命之初正值我国经济最为严峻之时,他领导西安光机所克服层层困难,硬是在没有任何基础的条件下研制出我国第一台ZDF-20 型转镜式等待型高速摄影机和单幅克尔盒高速摄影机,这是令人不可思议的惊天地之作。1964 ZDF-20 型高速摄影机被成功用于我国第一次原子弹爆炸试验,并拍摄到珍贵的资料。1966 年又研制出ZDF-250 型转镜式等待型高速摄影机,摄影频率提升了一个量级,用于1967 年我国首次氢弹爆炸试验的研究;1970年性能大幅度提升的ZDF-250改进型转镜式等待型高速摄影机一直服役到1976年最大当量氢弹空投试验完成为止,为西安光机所建立了不朽功勋!

  龚祖同:中国高速摄影事业的奠基人

  龚祖同先生1938年回国后立即投入到为抗日前线将士研制打仗的眼睛中,为部队武装了双筒望远镜、机枪瞄准镜和80 cm 倒影测远机;经过10 3 个轮回艰苦卓绝的研究试验,终于在1953 年春节前夕炼出中国第一炉300 L K8 光学玻璃;1958 年,分别和姚俊恩、王乃弘一道研制出我国第一台电子显微镜、第一台红外夜视仪;1960 年开始担负2. 16 m大型天文望远镜的研制工作,而令人遗憾的是,由于发生了文化大革命,该工作的完成之日竟是龚老逝世3周年之时;1964 年拉制出我国第一根光学纤维,顶着拉玻璃丝有什么用?的巨大压力,开创了中国纤维光学的研究;之后相继炼出中国第一炉耐辐射光学玻璃,研制出第一台像增强器、第一只高速摄影用变像管、第一块微通道板、第一套高速电视系统,等等。但是,龚祖同先生最为重要的贡献还是在为两弹试验服务的高速摄影机上。 

  龚老对新事物有着敏锐的洞察力,1964 年就高瞻远瞩地布局变像管高速摄影机的基础研究,研究了多种光电阴极、电磁光学成像系统的理论、快速电路设计。这些研究为我国的皮秒技术和飞秒技术占有世界一席之地奠定了基础。在龚祖同先生的领导和积极参与下,西安光机所又相继研制出多种等待型高速摄影机、同步型高速摄影机、铍转镜扫描高速摄影机(图1)、高速扫描光谱仪、间歇式高速摄影机、棱镜补偿式高速摄影机、狭缝式高速摄影机、变像管分幅高速摄影机、变像管扫描高速摄影机、全息高速摄影机、小型高速电影经纬仪,等等。
图1 龚祖同先生和ZSK-29型铍转镜超高速扫描相机(1982年第三期人民画报,施庆华记者摄)

  1993 10 17 日的庐山会议上,王大珩先生在谈到龚祖同先生时,无不动容地说道:我不能接受光学之父的称号!”“中国的近代光学设计、近代光学(工艺)加工是龚祖同先生1938 年从德国留学带回来的!”“我是1938 9 月才以中英庚款第六届留英公费生的资格赴英国进入伦敦大学帝国学院攻读技术光学的。”“龚老是中国光学事业的先驱者和创业者。那年,龚老已经逝世7 周年!我坐在主席台上,王老后面,不禁泪垂,大科学家是也! 

  我国进入国际高速摄影“俱乐部” 

  1964 年我国原子弹试验爆炸成功,使我国顺利进入了国际高速摄影俱乐部1965 9 月龚祖同先生应邀率领中国代表团赴瑞士苏黎世参加第七届国际高速摄影会议,这是中国第一次派团参加序列性的高端专业学术会议。随团成员有余正龙、任轶祥和汪欣。 

  “文化大革命导致中国代表团缺席了5届国际高速摄影会议,19788月龚祖同先生受日本东京大学教授、日本高速摄影国家代表植村恒义先生的邀请,率领中国代表团赴日本东京参加第十三届国际高速摄影与光子学会议(第13 回高速写真と画像计测國际会議),随团成员有204 所(西安近代化学研究所)的田清政,浙江大学的包正康,西安光机所的侯洵、吴圣雄、许家隆和李景镇(图2)。这是文化大革命后中国首次派出代表团重返国际科技界,意义重大。参会的外国代表亦十分好奇——10 年中国的高速摄影发展否?
图2 1978年参加第十三届国际高速摄影和光子学会議的中国代表团参观东京大学:
从右2始依次是包正康、吴圣雄、侯洵、田清政、日本学者、龚祖同、许家隆、植村恒义、李景镇、津野隆夫等

  龚先生的报告“Application of GRIN fiber selfoc fiberto high-speed raster photography”介绍了其使用自聚焦(变折射率)锥形光纤大大缩小了网格点,使转镜网格超高速摄影机的摄影频率比当时的国际水平高了一个数量级(空间分辨率为48 lp/mm,画幅尺寸为12 mm×8 mm),轰动了这次国际会议。田清政的报告“The application of interferometric laser technique indetonics”指出,融合激光多普勒效应、多光束干涉和变像管的超高速摄影机大大提高了爆轰金属自由表面速度的测量精度,美国爆轰测量专家惊呼中国发明了柱透镜F-P 干涉仪。李景镇的报告“An ultra-high speed streak cameraZSK-30”亦引起了与会代表的关注,特别是日本和苏联同行专家的关注。 

  20 年后,国际高速摄影权威专家A.S. Dubovik 在第二十三届国际高速摄影与光子学会议的首场大会特邀报告中指出:关于外国光机高速摄影的发展,我们应该指出以下的科学家和设计师(中、美、英、德、以、日等国11 名),他们对这个领域的科学工程进步做出了重大贡献:美国的C.Miller 开发了多幅光机成像系统,德国的H. SchardinKranz 教授合作开发了高分辨率脉冲摄影机,中国的李景镇设计了铍转镜超高速(扫描)摄影机,日本的植村恒义设计了高速摄影机……”
  1978 年之后,中国高速摄影事业进入了发展的快车道,每届国际高速摄影会议都有中国代表参加,人数逐届增加、影响逐渐扩大。1980 年,国际高速摄影著名专家W.G. Hyzer 博士到西安光机所访问,赞叹西安光机所是世界上少有的技术完整、成效卓著的高速摄影研究机构

  高速摄影的发展路径 

  经过半个多世纪的发展,我国的高速成像、超高速成像、极高速成像、原子时间成像在国际上已经占有重要的地位,特别是在原子时间成像领域,多级光参量放大闲频光(MOPA)成像技术实现了摄影频率为1. 5×1013 frame/s、空间分辨率为83 lp/mm 50 fs分辨的光学直接成像,记录了旋转速度13. 5×1012 rad/s 的极快涡旋光学晶格的动态过程,是目前国际上最好的纪录。 

  应该强调的是,不同的瞬态过程要用不同成像原理的成像技术。图3所示的5 种时间分辨范畴的成像技术只能用在不同的研究领域、不同的目标,没有水平高低之分。微秒级成像技术主要用于爆轰、激波类超高速过程的研究,而原子时间成像技术主要用于观测原子时间过程的光信息,准确揭示原子运动过程中所发生的物理、化学和生物的图景及其变化规律,发现新现象、探索新规律、验证新理论。
图3  不同的瞬态现象要用不同原理的成像技术

  随着对细观和微观世界研究的不断深入,需要将空间放大(显微成像技术)与时间放大技术结合起来,这是高速成像技术的重要研究方向。目前,纳米空间分辨技术和飞秒时间分辨技术的结合已经是摆在我们面前的研究课题。 

  高速摄影的应用研究,特别是原子时间尺度成像的应用研究,始终是重要且紧迫的课题:如何推动分子/原子动力学、等离子体物理、活细胞和神经活动研究,如何探索声致发光现象的机制、解密神经元网络的交流过程,等等。
  从图3还可以看到,将高速成像的时间尺度从原子时间推到电子时间(阿秒),研究其成像机理、成像技术,这是一个时代的标志性研究成果,也是我的梦想。而捕捉电子绕原子核旋转的动人景象,则是龚祖同先生1980年提出的龚祖同猜想。我想,和42年前相比,我们现在更为接近这个宏伟目标了!

  【作者简介】李景镇,教授,博士生导师;清华大学毕业,中国科学院学部研究生学历;现任深圳市微纳光子信息技术重点实验室主任、光子工程研究所所长、中国光学学会高速摄影与光子学专业委员会副主任委员、中国光学学会光学测试专业委员会副主任委员。

  李景镇教授一直研究“一瞬即逝”超快过程的成像问题,探索时间放大的理论和技术,为我国尖端科技的发展作出了重大贡献。作为课题负责人,获得包括国家科学技术奖特等奖在内的国家级奖6 项、省部级科学技术奖13项;2014 年被授予“全国优秀科技工作者”称号,其主要事迹和学术贡献被2012 年《20 世纪中国知名科学家学术成就概览》收录。

  李景镇教授主持的瞬态光学成像技术研究工作实现了系统性突破,取得了国际领先的科研成果,他是我国唯一由国际学术界推举为国际光机式高速摄影领域有突出贡献的专家。他也是国际全光极高速成像技术的开拓者,在原子时间尺度极高速成像领域引领国际先进水平。

  光学学术专著10 部,约1720 万字,其中主编撰写了《光学手册》《激光测量学》等3 部学术专著,约977万字。

     

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