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我国自主控制超快激光达到世界先进水平

导读: 在南开大学,电子信息与光学工程学院教授、现代光学所所长刘伟伟及其团队运用这项技术解决了在轨航天器有害气体检测难题,还把“驾驭”激光消除有害物质作为最新科研项目。

近红外光谱分析技术就是利用激光给分子“拍照”,用于分子的识别,因其应用领域广泛而成为世界各国军事、民用科研的尖端科目。在南开大学,电子信息与光学工程学院教授、现代光学所所长刘伟伟及其团队运用这项技术解决了在轨航天器有害气体检测难题,还把“驾驭”激光消除有害物质作为最新科研项目,使我国在自主控制超快激光这一领域达到世界先进水平。

日前,该团队“超快激光与物质相互作用机制、调控及应用研究”项目荣获天津市2016年度自然科学一等奖。

自20世纪60年代问世以来,激光已在工业、医学、军事等众多领域广泛应用。近年,超短脉冲激光即超快激光成为激光领域的先端发展趋势。脉冲越短,激光的精度越高、释放的能量越大。在实验室,激光脉冲已短到飞秒级别(1飞秒等于千万亿分之一秒)。超快激光投入应用,成为人类工具史上的又一“利器”。然而,近乎极限的“稍纵即逝”、超强的能量释放,使得可控、稳定、测量成为驾驭飞秒激光的世界性难题。

“超快激光与物质相互作用机制、调控及应用研究属于光学工程领域,开展超快光子学、信息光学、分子光谱学与等离子科学的前沿交叉研究。”刘伟伟说。

由于超快时间尺度(对应分子、电子运动时间)和超高激光强度(可轻易击穿任何物质),超快激光与物质相互作用包含丰富的线性和非线性光学效应,这些效应相互竞争、相互制约,体现出高度非线性和极端不稳定性。这阻碍了相关基础理论研究的发展,并造成其难以广泛应用。

为解决“驾驭”超快激光与物质相互作用这一关键科学问题,刘伟伟团队展开科学攻关。他们的主要思路是,深入研究超快激光与物质相互作用的物理机制和非线性动力学过程,建立有效抑制调制不稳定性的相干调控原理,探索突破时空尺度极限的创新性应用。

刘伟伟介绍,该项目的主要有3个方面的创新点。

首先,在超高光强(~1014 W/cm2,相当于太阳辐照到地球光强的1015倍)、飞秒尺度(10-15秒,百万亿分之一秒)和超宽电磁波波长范围(0.3微米~3厘米)极端实验条件下研究激光与物质相互作用非线性动力学机制,为实验研究和调控方法发展提供理论指导。

其次,相干调控原理研究紧密围绕远程应用需求,成果实现百米量级超快过程、超高光强调控,为推动远程大气污染激光探测技术、远程激光通讯等实际应用提供物理基础。

再次,创新应用探索凸显超快时间尺度和空间超分辨能力并举的调控能力,取得了曝光时间短至50飞秒的超分辨显微成像以及太赫兹波超分辨显微成像(分辨率达到四十分之一波长)等成果,有望应用于癌症早期检测等。

深入基础研究的同时,刘伟伟团队时刻不忘国家需求,聚焦实际问题。结合国家航天计划,刘伟伟团队曾创造性地提出基于微纳结构新型材料的光谱检测技术,成功解决了在轨有害气体检测多组分、高灵敏度的在线测量性能需求与体积小、重量轻、功耗低的苛刻空间环境适应性要求之间的矛盾。该成果应用到我国首个空间实验室——“天宫一号”上,为航天员舱内气体安全提供保障,使我国在该领域的技术水平超越美俄等航天科技发达国家,位于国际领先。

“下一步,我们还将利用光谱与成像应用技术开展雾霾化学成分检测、癌细胞‘识别’和癌症早期检测等应用型研究,相关成果将直接服务人类生产生活。”刘伟伟说。

据介绍,此次获奖项目共发表SCI论文47篇, SCI他引213次。项目研究成果受到了国际同行广泛关注,研究工作的挑战性和开创性被《自然》子刊、美国光学学会会刊、美国物理学会会刊、英国皇家物理学会会刊等权威学术期刊所肯定,成果被这些权威期刊遴选为年度亮点论文、封面及封底彩图等。项目组在国际主流学术会议作30多次特邀或主题报告。


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