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记 2018 年暑期日本科研夏令营

2018 年暑假参加的光电学院暑期赴日本科研夏令营对我来说很有意义,我们二十多人共同参观了滨松公司的生产工厂与中央研究所,滨松医科大学、静冈大学、理化学研究所以及东京大学前沿科学研究所。学习了光电倍增管的结构与制造,扫面电子显微镜的功能、纳米外衣技术以及其他的一些有关光学的知识。对光电专业的研究领域以及应用前景有了深入了解,感受到了科研人员专注的科研精神,体验到了日本独特的文化魅力,为今后的专业学习提供了帮助指导。

报名夏令营

学校要求本科生第四课堂修满 2 学分才能毕业,而第四课堂就是参与一些对外交流的项目。以我个人的能力,如果报名一些校级对外交流项目,比如去新加坡国立大学,美国加州大学伯克利分校什么的,肯定会被表刷或者面试的时候被英语口语大佬碾压,而我又不情愿用第三课堂的溢出学分转换成第四课堂学分,所以我选择参见了这种院级交流项目。因为院级项目对学院学生开放,只要报名了,基本上都能参加。

2018 年暑假学院开展了两个对外交流项目,一个是日本科研夏令营,一个是美国伊利诺伊大学香槟分校(UIUC)的暑校。后者经费有些高,而且时间和我的暑假计划有些冲突,所以我就选择参加了前者。

其实报名的时候还是有些犹豫的。觉得自己水平不够,会不会被刷掉,但我心中一直有一个念头,不去尝试怎么知道能不能行,既然有这个想法,就一定要敢于尝试。

行前准备

参加这个项目的总共有二十多人,大一到大三的学生都有。每个年级选出了一个组长。机票、保险什么的这些东西组长都已经给我们解决了。最重要的是签证。我的户口没有迁到学校,不能跟着其他浙江户口的同学一起办理签证。由于是短期的交流,只需要旅游签证就行,所以我直接在某宝上办了个团体旅游的签证。我在银行兑换了 2 万日元。在某宝上买了个可以在日本用一周的临时上网卡、一套转换插头。

在出发前学院开了个行前会议,大致讲了一下行程以及需要注意的事,主要就是一些日本的风俗习惯,需要准备什么东西,还有经费的报销问题,每天的行程记录和交流总结的分工。我们的行程见下图。

summer-camp-travel-itinerary.png◎ 行程单

学习日记

7 月 15 日

出发!我一大早就从杭州东站坐高铁到了上海浦东国际机场。从上海乘飞机到日本东京成田机场。到达日本的时候已经是晚上了。由于有时差,我以为手机没有自动调整时差的功能,导致我认定的时间和实际时间相差了 2 个小时。

summer-camp-aerial-photo.jpg◎ 飞机·夕阳

我们的队伍里只有一个同学能用日语流利地和普通日本居民交流,我们购买车票,寻找交通路线,入住酒店,全部都依靠这位老哥。很幸运,我们赶上了最后一班到千叶的轨道交通。我以为会英语就行了,事实证明,还是有很多人听不懂英语的。

summer-camp-tram.jpg◎ 前往千叶

我们第一天晚上入住的酒店空间很狭小,但设施比国内的好很多,特别是那个很有特色的智能马桶。水龙头里的水应该是直饮水,很强。

7 月 16 日

7 月 16 日我们参观访问日本滨松公司工厂与中央研究所。

买车票的时候,因为我不会日语,和售票的工作人员比划,要买和前面的人一样路线的车票。带队的郑教授曾经在日本学习,他帮我们搞清楚了要走的线路。不得不说,日本的轨道交通线路太复杂了,要是让我一个人乘坐,估计就迷路了。

summer-camp-station.jpg◎ 日本轨道交通

summer-camp-ticket.jpg◎ 前往滨松的车票

滨松给我的印象就是一个小镇,很祥和宁静的一个小镇,人们安居乐业,远离城市的喧嚣,过着平平淡淡的生活。

summer-camp-hamamatsu.jpg◎ 滨松

滨松公司是世界上著名的光科学和光产业公司,其产品从探测器到激光器,被广泛地应用在医疗生物、高能物理、宇宙探测、精密分析等业领域。在滨松公司的展览厅中,我们对该公司研发生产的光电倍增管的结构以及功能进行了学习。在对光电倍增管的学习中,我了解到,光电倍增管有不同的外形、大小,有上百种不同的类型,能够用到不同的领域,比如医疗、学术、工业等。光电倍增管需要一千伏的电压,内部有光电阴极、电子光学输入系统、电子倍增系统、阳极等结构,入射光子从阴极出发,经过电子倍增器进入阳极。外部的光窗材质也有所不同,有硼硅玻璃、透紫玻璃、蓝宝石、氟化镁等。像滨松公司生产的最大的光电倍增管外形就是椭圆形,设计成椭圆形是为了能够承受在水中的压力。在参观产品展览厅的过程中,我了解到日本建设的大型中微子探测器超级神冈探测器,主要运用到的器件就是光电倍增管,在深达一千米的矿坑中修建一个圆柱形容器,容器中注入纯水,在内壁上安装光电倍增管,用于探测高速中微子在水中通过时产生的切伦科夫辐射。这个探测器发现了中微子的存在。在医疗中,它可以用来检测癌细胞的位置,在环境中,它可以用来检测水质的污染。

summer-camp-photomultiplier-tube.jpg◎ 超级神冈探测器所用的光电倍增管

在参观光电倍增管的生产车间中,员工首先向我们展示了如何清洁光电倍增管的玻璃管壳。清洗的时候,将玻璃管壳固定在底座上,用水在内外进行旋转喷射清洗,水中注入特定的洗涤剂,内部加有海绵进行清洁。为检测玻璃管壳的厚度是否分布均匀以及是否达标,可以通过激光定位照射进行探测分析,三分钟就能够检测八百个点的厚度。在另一个车间中,我们参观了对光电倍增管玻璃管壳的烧制与抽真空的过程以及功能的检测,用机械臂对光电倍增管进行装箱运输处理的过程。有一名员工在一个完全封闭的车间中对玻璃管壳进行烧制,他通过佩戴一副特制的眼镜,能够通过眼镜的过滤层看到玻璃表面的裂痕纹路,以此来评估烧制是否达标。装箱用的机械臂则直接通过计算机控制,能将生产出来的光电倍增管整体平稳地安放在黑暗遮光的运输箱中,再通过运输车自动驾驶运离车间。

summer-camp-workshop.jpg◎ 滨松公司的生产车间

滨松公司为我们安排了高档奢华的晚餐,这也是我第一次吃这么高档的日本料理,第一次吃各种生的肉类。不过由于是吃完一道菜才上下一道菜,每一道菜的量有些少,我也没怎么吃饱。

summer-camp-dinner.jpg◎ 丰盛的晚餐

7 月 17 日

7 月 17 日参观滨松医科大学光子医学研究中心与静冈大学工学部,晚上与静冈大学学生以及滨松研究所的研究院共进晚餐,进行交流。

在滨松医科大学的交流学习中,主要学习了扫描电子显微镜的功能及原理,以及纳米外衣技术。扫描电子显微镜在固体试样的表面使用聚焦的高能电子束产生各种信号,相互作用电子产生的信号包含有用的信息,如形状、原子结构和电导率。当一个电子撞击到它的表面的时候,电子可能被吸收,被吸收的电子会使它们撞击到的原子变得不稳定,迫使其发射出另一个电子,或是发出光使其稳定。根据我们研究对象的不同,在该电子显微镜上安放的探测器有所不同。电子显微镜所能达到的放大率取决于电子束能够撞击到多小的表面,它的撞击表面可达1纳米的大小。光束的约束是利用磁场实现的,其他磁场则是用于形成光束,并控制其在样品上移动。由于电子束受空气和水分子的影响,样品必须放在真空中。样品是导电的,这样做是为了使没有反射或吸收的电子离开。扫描电子显微镜由电子枪、用于聚焦电子束的镜片、样品室、探测器以及真空室五部分组成。

summer-camp-laboratory-1.jpg◎ 针山研究室

纳米外衣这项技术对观察活的微小生物上有很重要的地位。在传统的观察观察方法中,我们需要花费很长的时间对观察对象做处理,需要对观察对象固定,干燥,要避免电荷,但也很有可能会发生变形,对要观察的部位造成损坏。然而利用纳米外衣则会解决很多问题,纳米外衣的装载只需要很短的时间,在纳米外衣的包裹下,观察对象能够保持湿润,依然能够存活。由于生物体在高真空环境中会脱水、脱气、变形,但在纳米外衣下,能够完整地保存其特征。为更好的理解扫描电子显微镜和纳米外衣,教授邀请我们亲自体验如何使用扫描电子显微镜来观察生物体。我们通过操作键盘上的按钮,对显微镜的镜头进行移动,观察到了两只果蝇幼虫。其中一只没有纳米外衣,一只有纳米外衣包裹,通过对比我们可以发现,没有包裹纳米外衣的一只已经死亡,表皮褶皱脱水,而包裹纳米外衣的那一只,依然能够在真空环境中活动。

hama-med-news-about-zju.png◎ 滨松医科大学报道浙大学生访问活动

Seiji Yamamoto 教授向我们展示了内窥手术导航系统的操作方法以及功能展示。普通的内窥镜只能通过显示屏观察到二维的平面图形,而通过这种内窥手术导航系统,可以定位到三维的图像,所以在手术过程中,不仅能够清楚需要在上下左右哪个方向进行移动,还能够了解到目前手术器械所到达的深度。当接受手术的患者角度发生改变的时候,该机器依然能够校准图像。教授说,在医学研究方面要时刻进行创新,我们需要深入了解现阶段患者需要的服务,针对他们的需求,创造出更好的产品服务。

在静冈大学的川人研究室,研究人员向我们展示了他们研发的图像传感器以及 8K 超高清分辨率技术。

summer-camp-laboratory-2.jpg◎ 川人研究室

当天中午的时候,我们是在静冈大学的学生食堂吃的饭。所有的饭菜都标注有营养价值的高低,提醒学生注意膳食平衡。我觉得这一点国内的学校应当学习一下。

summer-camp-food-list.jpg◎ 中午食堂消费清单

7 月 18 日

7 月 18 日参观日本理化学研究所(RIKEN)光量子工程研究中心。理化学研究所是是日本唯一的自然科学研究所,这里也是第 113 号元素的发现地。

summer-camp-riken.jpg◎ RIKEN:113 号元素发现地

该研究中心主要研究的是激光。研究人员向我们介绍了很多光学方面的技术与材料,比如具有自折叠大量三维金属纳米结构的各向同性红外材料。我们通过教授讲解,了解到镍金双层残余应力驱动的自折叠过程,这种结构可大量生产大面积的三维金属纳米结构。

分子振动的红外吸收光谱在材料与医学以及安全监测中十分重要。因为红外吸收光谱提供了分子结构、分子组成以及环境的基本信息。为了在易于使用的检测技术中得到广泛的应用,需要对极少量的分子进行直接检验。表面增强的红外吸收已经被广泛地研究,通过使用特定的等离子体纳米结构能显著地提高几个数量级的灵敏度。研究人员已经通过超材料红外吸收体的等离子体以及化学吸附在超材料表面的自组装单层分子的红外振动模式的近场耦合,演示了背景抑制共振表面增强红外吸收,这种方法允许具有显著等离子体增强的低背景检测方案,从而进一步降低红外吸收光谱的检测极限。

晚上我们住在了东京北千住,住所的环境和第一天比好了很多,而且住宿的价格也比第一天便宜了很多。我们住的酒店早上都提供自助早餐,而且早餐的样式基本一模一样。我觉得自助早餐很好吃,虽然热量高了点。

summer-camp-breakfast.jpg◎ 酒店早餐

7 月 19 日

7 月 19 日在东京进行自由活动,我在上午从住宿的酒店步行前往浅草寺,感受日本独特的寺庙文化。

浅草寺位于东京台东区,它是东京都内是历史最悠久、人气最旺、供奉本尊观音的寺院,仿唐建筑设计与布局,使它成为日本现存的具有江户风格的民众游乐之地。「浅草」意为「圣观音居住的地方」。浅草寺的占地面积并不是很大,第一门叫做雷门,上面有一个巨大的红灯笼。穿过雷门,则是一条从大门延伸到浅草寺本堂的商业小街,来这里游玩的人很多,店铺里摆满了人形烧、工艺品以及土特产。第二门上也有个灯笼,写着「小舟町」,这是二层楼的寺门,上面有「浅草寺」金光闪闪三个大字。

summer-camp-sensoji-temple.jpg◎ 浅草寺

这一天的晚饭我是在离酒店不远的一个小吃城解决的。随便点了一个套餐,套餐里有个生鸡蛋。这是我第一次吃生的鸡蛋,把蛋壳敲碎,蛋液倒在米饭里拌着吃。

7 月 20 日

7 月 20 日参观东京大学前沿科学研究所。

summer-camp-the-university-of-tokyo-card.jpg◎ 姓名牌

研究所的研究人员向我们讲解了有关三光束干涉驻波超分辨显微技术。这是一种对所需的半导体器件进行缺陷检测和结构测量的方法。在光学测量方面,具有不需要真空,无损,无需连续扫描的优点。这项技术的目的则是为了建立一个用于一般相干成像系统的超分辨率光学显微镜。因为传统的显微方法是双光束干涉驻波位移超分辨显微技术,它在非相干成像系统中可以进行超分辨率成像,在相干成像系统中,只有在有限的条件下才能获得超分辨率成像。这种技术的原理有三个,第一个是带宽扩展效应,能够获得更高清的成像分辨率。第二个是三光束干涉驻波照射,由于双光束照射的时候,相邻的波峰有着相反的相位,对重建过程有影响,而三光束则能够使得所有的波峰都是相同的相位。第三个是迭代重建算法。

除此之外,我们还了解了目前研究人员正在进行的利用光捕获粒子的技术以及回音壁模共振测量微小球直径的技术。

最后向我们讲解的是一位来自国内的研究人员,他介绍的是通过基于临界角位移的倏逝波纳米立体光刻技术对固化树脂的检测。光敏树脂是由全内反射产生的倏逝光固化,固化树脂的厚度是亚微米级的。使用这样一种技术是为了检测固化树脂的形状以及树脂固化的程度。但由于固化树脂是浸入液态树脂中,两种树脂之间存在梯度指数,所以监测方法受到了限制。并且由于附着物和实验设备的大小超过树脂,所以测定的空间也受到了限制。因为测量光的波长比不影响固化的波长大,所以采用的检测方法是使测量光的入射角接近临界角的大小。通过图示显示,为验证此方法的可行性,通过将固化树脂浸入液态树脂中,通过旋转角度来控制入射角,使其接近临界角的角度。在对大体积树脂进行验证实验的时候,固化树脂与液态树脂反射率不同,在临界角附近反射率收缩变大,实验结果与理论值吻合较好。最后通过观察微小尺寸的固化树脂,可以看到固化树脂与周围液态树脂区别明显,说明这种方法能够进行测量固化对比度。

当日下午我和同学一起去新宿体验东京城市生活。新宿是东京著名的繁华商业区,也是东京重要的交通要冲。街上的人很多,在街头都是来来往往的外地游客。

summer-camp-tokyo.jpg◎ 新宿街头

7 月 21 日

这一天是我们返程的日子。从成田机场坐飞机到上海,再赶当天最后一趟回杭州的高铁。在成田机场,为了让这一趟旅程更加完美,我花光了身上带的日元,点了一份昂贵的寿司。

summer-camp-sushi.jpg◎ 寿司

后记

这次参加日本科研夏令营收获很多。

首先讲讲对日本的印象。这是我第一次来日本。日本人很讲时间观念。我们约定的什么时候来,对某一项技术的讲解时长,一分一秒都不差。日本人的素质也很高。在乘坐交通工具的过程当中,当地的居民都不会发出噪音,这和国内乘坐火车的时候,每节车厢都有人开着外放、看视频、打游戏、聊天形成鲜明的对比。日本的街头很少见到垃圾,如果说有什么垃圾,那也是在游客比较多的地方。像我们去的滨松,是个小城,街道上也是一尘不染。说句实话,目前我国普通百姓的素质还有待提高。

最重要的是,我对光电学科专业有了更进一步的认识,对当前光学领域的研究有了一定的了解。通过和研究人员进行沟通交流,了解到了他们每天的工作与生活,让我感受到他们工作的严谨态度与勤奋。他们穿着朴素,很谦逊,对自身的要求很严格,每天的工作很辛苦。这些研究人员当中有一些中国学生,他们在这里工作了五六年。还记得在滨松医科大学那位教授问我们,明确的创新策略需要我们知道什么?服务对象的需求和能够改善生活的产品研发(needs-pull and seeds-push)。如今我刚开始学习专业知识,也需要具备这种严谨认真的态度。希望我也能够通过自己的努力实现自己的理想目标。

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