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我们用相机帮人类追逐微光

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作者:王博(中科院西安光学精密机械研究所)。原文标题:《做一个捕捉每秒100个光子的极弱微光的相机,用于探测暗物质,这个任务真的挺吓人》。


以下内容为王博演讲实录:


大家好。我是王博,来自中科院西安光学精密机械研究所。非常荣幸在这里跟诸位分享我在科研工作中的点点滴滴。其实,我跟光很早就结下了不解之缘:本科时,我从计算机专业被调剂到光学专业,当时非常沮丧,我的一位老师告诉我,光学是未来的朝阳行业,这激发了我探索光学的激情,希望在光学的领域里有所建树。



然而,四年之后,我的梦想破灭了,在报考研究生时,我以三分之差又从光学专业调剂到了物理电子专业。2007年,我远征南极,从事极光观测工作,2009年回国后,我又开始做一些激光探测的工作,之后的七年,我又从事了一些微光方面的工作。


大家可能对我的工作以及专业研究方向很好奇。其实,我就是辅助科学家工作,为他们在科学研究中,制作一些诊断工具,例如科研相机。



为什么要做科研相机?众所周知,眼睛是人类获取信息的主要途径。但是,我们的眼睛所能观测的波段在整个光谱段是非常有限的,只集中在380纳米到760纳米,像长波红外、短波磁外均无法企及。另外,人眼的时间分辨能力是1/24秒,怎么理解呢?



例如一个杯子掉在地上的时候,我们看不到杯子如何破裂,只能看到杯子破了。又或者食盐在水中的溶解、植物的光合作用,我们都看不到变化的过程,因为我们眼睛天生的时间分辨能力是1/24秒,比这个更快的,我们就看不到了。


因此,我们所做的相机就是拓展人类视觉的极限,让人类的眼睛抵达曾经没有达到的地方。



在地球的南北极地区,每到傍晚,便会出现一些鲜艳的光束,在空中闪耀,我们称之为极光。在平常人眼里,极光只是大自然送给人类的一场视觉盛宴。但是科学家却通过极光来了解宇宙的万千精华。科学家通过氧气或者氮气激发出的绿色或者深红色的光的形状,以及它的谱段来了解宇宙,了解太阳风暴。



为什么要做这件事情?因为太阳风暴会影响航天器的正常工作,引起通信异常,还会引发一些自然灾害。为了科研需要,年仅24岁的我,于2007年11月12日,远征南极。这是我第一次离家远行,跨越半个地球,行程达13000公里。这次南极科考的主要目的,是收集光的影子,为科学家了解宇宙,了解世界,了解地球收集基础数据。



这是在南极的时候,让我又头痛又心酸的仪器。它叫全天空摄像机,它由科研洞的下方穿到房顶上露出来,就像鱼一样的眼睛,仰望着苍穹,观测苍穹间到底会发生什么。这个仪器是1995年左右在中山站安置的,截止到2007年经过了长达十多年的服役期,整个设备处于一个近乎瘫痪的状态,为此,我给它命名为纯手工干涉下的自动化工作机。为什么要这样命名?


因为这个机器在工作的时候,需要我根据日出日落,推测开关机时间。并且它会经常起雾,需要人为放置干燥剂,定期更换。另外一件令人头疼的事情,便是数据的存储了。


1995年时,计算机的硬盘存储空间很小,所以到了2007年时它远远不能满足我们的需求。当时,我们的相机是每三秒钟拍摄一张照片,一张照片大概1.3兆左右,极夜期间是20个小时,经过计算便知,一个极夜会有大量数据输出。而我要做的事情就是把这些宝贵的数据备份起来。


怎么备份呢?光靠U盘、硬盘拷贝是不现实的,那么就需要刻录成光盘,这需要耗费大量的时间。一般在阴天或者没有极光的时候,我就在房间里刻录光盘,将科学家所需要的数据存储起来。这便是一名科研工兵的职责和使命。



图片中的仪器叫扫描光度计,虽然外观丑陋,但是发挥的作用却不容小觑。这个光度计是我留在南极的一个遗憾,因为它几经摧残、饱受折磨。


在南极最害怕的是仪器发生故障,2007年的南极没有电话、没有电视、没有网络,没有任何通讯设备,几乎是与世隔绝。所以一旦设备发生故障,只能靠自己去想办法解决。这台扫描光度计曾经坏过几次,每次都需要我自己想办法。


平常很容易解决的问题,在南极就非常难做。跟大家分享一个大家想象不到的事,当时光度计在室外工作的时候有一根线断了,我准备拿电烙铁去焊接,但是发现电烙铁的温度始终上不来。因为当时南极平均气温是在零下30多度,一个300瓦的烙铁根本是烧不起来的。最后,只能找一个纸箱子,自己手工打洞,做两个小的电热片放到里面,创造一个室温,让电烙铁进行工作。


2009年1月,在南极经过了近500个日日夜夜,我终于回到中国,当我把六大箱的数据交给科学家的时候,真是泪花涌动。


本以为回国以后,我将继续从事一些极光方面的研究,但是命运总是会让你有所改变,我要做的第二件工作便在这个时候正式开始了。我当时记得非常清楚,第一天回到上海,第二天我便买了返回西安的机票,价值683元的机票对于当时的我来说还是非常昂贵的。


自此,我开始了新的征程,去做一个更有价值,更伟大的事情,做激光方面的。在讲述这个宏伟又紧迫的事情之前,大家先放松一下,我们来构思一个简单的实验。



在座的诸位有喜欢摄影的,那么我今天告诉你如何用单反相机拍出这种所谓牛奶上的皇冠的照片。只需要非常简单的几个道具便可以,首先,准备一个打点滴用的针管,里面注上牛奶,然后下面放一杯牛奶,最后把单反相机放在三脚架上,设定好快门,就是如此简单。


这时候便要看你的运气足不足够好。是否能在牛奶滴下的那一瞬间,快速按动快门。快门的时间是要求在1/4000秒,如果没有这么快的相机,可以求助你的小伙伴来一起来做这个事情。我相信,如果按照我的方法去做,一定能拍出这么一幅漂亮的图片。

 


在我们做这个实验的时候,全球的科学家正在思考着一个更宏伟的计划,下面,我们来看一下视频。我们永远也不会联想到这与牛奶有什么关系?我告诉你,科学家要做的这个宏伟的计划,就是解决我们人类能源终极的问题。它通过上百路的激光去压缩一个大概只有5毫米左右的氘氚靶丸,让其发生聚变,释放出人类源源不断可利用的能源。


经过计算大概只需要0.6吨的氘氚靶丸就可以满足全球一年的燃料使用。跟刚才那个牛奶上皇冠的照片联系,科学家要做这件事情,需要面临什么问题呢?就跟我们的单反相机一样,科学家要拍摄这个过程,第一,必须具有足够快的快门;第二,科学家必须要有足够好的运气。


这个事情是非常难的,我们通过一个简单的数字来看。这个数字大家可能比较熟悉或者比较陌生——299792458米/秒,其实就是我们熟悉的3.0×108米/秒,就是光速,它一秒钟能绕地球七圈半。


另外,再看皮秒(即10~12秒),飞秒(即10-15秒),科学家要在5毫米的空间尺度里拍摄出激光的聚变过程,必须具有皮秒甚至飞秒级的一个快门,满足如此高要求的快门是不存在的,怎么办?我们当时构思了一个原理。其实,就是通过一个时间向空间的变化来做这个事情。



既然没有这么快的快门,那就换一种方式,把时间的信息转化为空间的信息。举个简单的例子来说明什么叫做时空变换。时空变换不是时间的穿越。刚才在演讲报告开始之前,大家都进到大厅里面来,如果大家不分先后顺序的拥挤在一块,我是无法知道每个人进来的时间的。


如果规定第一个进来的人坐在第一排的第一列,第二个进来的人坐在第一排的第二列。我站在讲台上,看到每个人坐的座位,便会知道每个人进入演讲大厅的时间。其实,这就是最简单的时间到空间变换的关系,相机就是基于这个原理做出来的。


做这种相机是一件最考验人的耐心和细心的事情。我们要实现对光的一个精确控制或者调控。首先,必须把光拼接在一个密封腔里面,然后,对它进行一个调控,让它按照我们的意愿去做。



如图所示,右边是一个直径大概7厘米,长不到30厘米的管子,这是我们做的探测器。在这个探测器里面,包含着近50种精密的元器件。每个元器件的加工误差要控制在微米量级,并且所有的元器件组装起来也要控制在微米量级。每个元器件在进入这个腔体之前,都必须经过清洁。不仅是超声波清洁,还有等离子清洁,达到一个最洁净的程度,再装到里面。


任何一个零件组装的失误都会导致前功尽弃。不仅仅这点问题,还有一个重要的问题,要把50个零件精密的封装在一个玻璃壳里,玻璃的熔化会导致位置的变化,那我们怎么办?没有经验可以借鉴,也没有人会告诉你,玻璃熔化会发生几微米或者是几毫米的位移变形。


我们做实验,500多次的实验日日夜夜地去做。每天,我们的工艺人员从市面上买回各种不同的玻璃,不同的玻璃粉进行组装、封接,然后测试。终于,我们封好了一个,第一天挺好的,第二天打算汇报给领导看,结果发现裂了。其实,它是在释放硬力的时候又裂开的。所以这是一件工程过程控制非常复杂,非常挑战人的耐心、细心和极限的事情。但是,经过五个多月的攻关,我们还是做到了工程化的水平。



图中,是当时我们一个同事对所有的器件,进行一个组装测试的一个过程。



照片中,满柜子的实验样品,这只是所有实验样品中很少的一部分。


这个器件完成后,我们已经实现了第一步,即把光封装在一个腔体里面。接下来,便是如何实现时间向空间的转换。这项工作交由我们课题组的一位老清华生完成。他有一个特点,一有高兴的事就唱起秦腔,所以每次听见他唱秦腔的时候,下一秒钟,他就会来到我的实验室,说电路做好了,要不试一下。


但是,每试一次,他的秦腔就不再唱了。这个过程持续了大概四五个月。因为这个电路是非常有难度的,它挑战了电子学的极限,要求这个电路能从0秒到当时的皮秒或者飞秒里面,能够按照人为所控制的斜率,严格的线性涨上去,来控制电子束的一个调控。终于有一天,他能始终地哼着秦腔,再也不用加班了。在那一年里面,365天,除了大年三十不加班,其他的时间,他都在实验室,要么是在哼秦腔,要么是在调电路。


整个相机做完后,就像我们做了一把尺子一样,需要进行标定。这时候发生了一件我们认为很诡异的事情。当时在实验室里面,我们将所有的相机组装、测试完毕后,把它送到光学实验室进行测试,整整三天时间没有测到任何东西。当时在电子学实验室看到的所有的影像消失了,我的人也崩溃了。这是什么原因呢?其实,这是一个非常简单的事情,因为我们没有想到或者一直忽略了地球磁场。



地球的磁场导致在电子学实验室跟激光实验室磁场是有差异的,会导致所调试的光束发生变化。后来我们又从零开始,首先对所有的器件进行去磁的处理,然后对整个设备进行一个磁的屏蔽。



经过五年半的努力,我们终于做出几台相机。


我一直认为自己是一个科研工兵,科研工兵的定义是什么?其实就是干完了一件事情,去干另外一件事情。当我将具有飞秒时间分辨的相机交给科学家的时候,我已经开始了另外一个事情,就像十年前我从南极回来转到第二个事情是一样的仓促。



我要做什么事情?追逐微光。什么是微光?大家应该都比较清楚,当我们用手机或者用相机拍摄黑暗的时候,拍出来永远是一团漆黑,黑暗里有没有东西我们不知道,有可能有,也有可能没有。



当时科学家们正在酝酿着一个项目,就是暗物质的探测,它的信号有三个非常显著的特征:第一个是转瞬即逝,非常的快;第二个是非常的弱,弱到什么程度,弱到每秒钟我可以数数,每秒钟100个光子。你们不能想象吧,光是可以数数的;第三个它是自然界发出来的,是随机的。



这三个挑战听起来都挺吓人的。当时,我任项目组组长,负责整个方案从最初的设计到最后的实施。当我们把所有的分部件都做好,所有的东西都集成在一起,满怀信心的去测试相机的功能的时候,发生了一件让人崩溃的事情。测试三个月,我们却没有测到任何信号。这时,领导找我谈话了,当时我的压力比较大,因为已经烧坏10个探测器了,总不能再这样下去。


这时,我的第一反应是这个方案是不是正确呢。我想不应该有错,因为整个方案,从能量的前端到后端的传递,都是我建模、设计、计算的。但是铁铮铮的事实摆在面前,当时,我每天都在思考,光到底去哪儿了。后来,我计算了一下,发现跟计算机模拟的差不多,应该不会有问题。


有一天,我又去实验室,再进行一遍测试。当我在扭动示波器的时候,发生了一个跳动,我想问题解决了,光找到了。由于我们前端设计的那个光的放大,跟存储的东西存在配方的差异,导致了它发生2微秒的一个漂移,而这2微秒以后,所有存储光的能量全部消失了,所以抓不到光也是正常的。


作为一个做光电仪器的科研工兵,我的目标就是不断地去追求高的时间分辨,高的空间分辨。如果有机会,我再跟大家一起分享我是如何精确地捕获每个光子的。谢谢大家。

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