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近紅外光譜分析技術(shù)就是利用激光給分子“拍照”，用于分子的識(shí)別，因其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛而成為世界各國軍事、民用科研的尖端科目。在南開大學(xué)，電子信息與光學(xué)工程學(xué)院教授、現(xiàn)代光學(xué)所所長劉偉偉及其團(tuán)隊(duì)運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)解決了在軌航天器有害氣體檢測難題，還把“駕馭”激光消除有害物質(zhì)作為最新科研項(xiàng)目，使我國在自主控制超快激光這一領(lǐng)域達(dá)到世界先進(jìn)水平。
日前，該團(tuán)隊(duì)“超快激光與物質(zhì)相互作用機(jī)制、調(diào)控及應(yīng)用研究”項(xiàng)目榮獲天津市2016年度自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。
自20世紀(jì)60年代問世以來，激光已在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。近年，超短脈沖激光即超快激光成為激光領(lǐng)域的先端發(fā)展趨勢。脈沖越短，激光的精度越高、釋放的能量越大。在實(shí)驗(yàn)室，激光脈沖已短到飛秒級(jí)別(1飛秒等于千萬億分之一秒)。超快激光投入應(yīng)用，成為人類工具史上的又一“利器”。然而，近乎極限的“稍縱即逝”、超強(qiáng)的能量釋放，使得可控、穩(wěn)定、測量成為駕馭飛秒激光的世界性難題。
“超快激光與物質(zhì)相互作用機(jī)制、調(diào)控及應(yīng)用研究屬于光學(xué)工程領(lǐng)域，開展超快光子學(xué)、信息光學(xué)、分子光譜學(xué)與等離子科學(xué)的前沿交叉研究。”劉偉偉說。
由于超快時(shí)間尺度(對(duì)應(yīng)分子、電子運(yùn)動(dòng)時(shí)間)和超高激光強(qiáng)度(可輕易擊穿任何物質(zhì))，超快激光與物質(zhì)相互作用包含豐富的線性和非線性光學(xué)效應(yīng)，這些效應(yīng)相互競爭、相互制約，體現(xiàn)出高度非線性和極端不穩(wěn)定性。這阻礙了相關(guān)基礎(chǔ)理論研究的發(fā)展，并造成其難以廣泛應(yīng)用。
為解決“駕馭”超快激光與物質(zhì)相互作用這一關(guān)鍵科學(xué)問題，劉偉偉團(tuán)隊(duì)展開科學(xué)攻關(guān)。他們的主要思路是，深入研究超快激光與物質(zhì)相互作用的物理機(jī)制和非線性動(dòng)力學(xué)過程，建立有效抑制調(diào)制不穩(wěn)定性的相干調(diào)控原理，探索突破時(shí)空尺度極限的創(chuàng)新性應(yīng)用。
劉偉偉介紹，該項(xiàng)目的主要有3個(gè)方面的創(chuàng)新點(diǎn)。
首先，在超高光強(qiáng)(~1014 W/cm2，相當(dāng)于太陽輻照到地球光強(qiáng)的1015倍)、飛秒尺度(10-15秒，百萬億分之一秒)和超寬電磁波波長范圍(0.3微米~3厘米)極端實(shí)驗(yàn)條件下研究激光與物質(zhì)相互作用非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制，為實(shí)驗(yàn)研究和調(diào)控方法發(fā)展提供理論指導(dǎo)。
其次，相干調(diào)控原理研究緊密圍繞遠(yuǎn)程應(yīng)用需求，成果實(shí)現(xiàn)百米量級(jí)超快過程、超高光強(qiáng)調(diào)控，為推動(dòng)遠(yuǎn)程大氣污染激光探測技術(shù)、遠(yuǎn)程激光通訊等實(shí)際應(yīng)用提供物理基礎(chǔ)。
再次，創(chuàng)新應(yīng)用探索凸顯超快時(shí)間尺度和空間超分辨能力并舉的調(diào)控能力，取得了曝光時(shí)間短至50飛秒的超分辨顯微成像以及太赫茲波超分辨顯微成像(分辨率達(dá)到四十分之一波長)等成果，有望應(yīng)用于癌癥早期檢測等。
深入基礎(chǔ)研究的同時(shí)，劉偉偉團(tuán)隊(duì)時(shí)刻不忘國家需求，聚焦實(shí)際問題。結(jié)合國家航天計(jì)劃，劉偉偉團(tuán)隊(duì)曾創(chuàng)造性地提出基于微納結(jié)構(gòu)新型材料的光譜檢測技術(shù)，成功解決了在軌有害氣體檢測多組分、高靈敏度的在線測量性能需求與體積小、重量輕、功耗低的苛刻空間環(huán)境適應(yīng)性要求之間的矛盾。該成果應(yīng)用到我國首個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室——“天宮一號(hào)”上，為航天員艙內(nèi)氣體安全提供保障，使我國在該領(lǐng)域的技術(shù)水平超越美俄等航天科技發(fā)達(dá)國家，位于國際領(lǐng)先。
“下一步，我們還將利用光譜與成像應(yīng)用技術(shù)開展霧霾化學(xué)成分檢測、癌細(xì)胞‘識(shí)別’和癌癥早期檢測等應(yīng)用型研究，相關(guān)成果將直接服務(wù)人類生產(chǎn)生活。”劉偉偉說。
據(jù)介紹，此次獲獎(jiǎng)項(xiàng)目共發(fā)表SCI論文47篇， SCI他引213次。項(xiàng)目研究成果受到了國際同行廣泛關(guān)注，研究工作的挑戰(zhàn)性和開創(chuàng)性被《自然》子刊、美國光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)刊、美國物理學(xué)會(huì)會(huì)刊、英國皇家物理學(xué)會(huì)會(huì)刊等權(quán)威學(xué)術(shù)期刊所肯定，成果被這些權(quán)威期刊遴選為年度亮點(diǎn)論文、封面及封底彩圖等。項(xiàng)目組在國際主流學(xué)術(shù)會(huì)議作30多次特邀或主題報(bào)告。
日前，該團(tuán)隊(duì)“超快激光與物質(zhì)相互作用機(jī)制、調(diào)控及應(yīng)用研究”項(xiàng)目榮獲天津市2016年度自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。
自20世紀(jì)60年代問世以來，激光已在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。近年，超短脈沖激光即超快激光成為激光領(lǐng)域的先端發(fā)展趨勢。脈沖越短，激光的精度越高、釋放的能量越大。在實(shí)驗(yàn)室，激光脈沖已短到飛秒級(jí)別(1飛秒等于千萬億分之一秒)。超快激光投入應(yīng)用，成為人類工具史上的又一“利器”。然而，近乎極限的“稍縱即逝”、超強(qiáng)的能量釋放，使得可控、穩(wěn)定、測量成為駕馭飛秒激光的世界性難題。
“超快激光與物質(zhì)相互作用機(jī)制、調(diào)控及應(yīng)用研究屬于光學(xué)工程領(lǐng)域，開展超快光子學(xué)、信息光學(xué)、分子光譜學(xué)與等離子科學(xué)的前沿交叉研究。”劉偉偉說。
由于超快時(shí)間尺度(對(duì)應(yīng)分子、電子運(yùn)動(dòng)時(shí)間)和超高激光強(qiáng)度(可輕易擊穿任何物質(zhì))，超快激光與物質(zhì)相互作用包含豐富的線性和非線性光學(xué)效應(yīng)，這些效應(yīng)相互競爭、相互制約，體現(xiàn)出高度非線性和極端不穩(wěn)定性。這阻礙了相關(guān)基礎(chǔ)理論研究的發(fā)展，并造成其難以廣泛應(yīng)用。
為解決“駕馭”超快激光與物質(zhì)相互作用這一關(guān)鍵科學(xué)問題，劉偉偉團(tuán)隊(duì)展開科學(xué)攻關(guān)。他們的主要思路是，深入研究超快激光與物質(zhì)相互作用的物理機(jī)制和非線性動(dòng)力學(xué)過程，建立有效抑制調(diào)制不穩(wěn)定性的相干調(diào)控原理，探索突破時(shí)空尺度極限的創(chuàng)新性應(yīng)用。
劉偉偉介紹，該項(xiàng)目的主要有3個(gè)方面的創(chuàng)新點(diǎn)。
首先，在超高光強(qiáng)(~1014 W/cm2，相當(dāng)于太陽輻照到地球光強(qiáng)的1015倍)、飛秒尺度(10-15秒，百萬億分之一秒)和超寬電磁波波長范圍(0.3微米~3厘米)極端實(shí)驗(yàn)條件下研究激光與物質(zhì)相互作用非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制，為實(shí)驗(yàn)研究和調(diào)控方法發(fā)展提供理論指導(dǎo)。
其次，相干調(diào)控原理研究緊密圍繞遠(yuǎn)程應(yīng)用需求，成果實(shí)現(xiàn)百米量級(jí)超快過程、超高光強(qiáng)調(diào)控，為推動(dòng)遠(yuǎn)程大氣污染激光探測技術(shù)、遠(yuǎn)程激光通訊等實(shí)際應(yīng)用提供物理基礎(chǔ)。
再次，創(chuàng)新應(yīng)用探索凸顯超快時(shí)間尺度和空間超分辨能力并舉的調(diào)控能力，取得了曝光時(shí)間短至50飛秒的超分辨顯微成像以及太赫茲波超分辨顯微成像(分辨率達(dá)到四十分之一波長)等成果，有望應(yīng)用于癌癥早期檢測等。
深入基礎(chǔ)研究的同時(shí)，劉偉偉團(tuán)隊(duì)時(shí)刻不忘國家需求，聚焦實(shí)際問題。結(jié)合國家航天計(jì)劃，劉偉偉團(tuán)隊(duì)曾創(chuàng)造性地提出基于微納結(jié)構(gòu)新型材料的光譜檢測技術(shù)，成功解決了在軌有害氣體檢測多組分、高靈敏度的在線測量性能需求與體積小、重量輕、功耗低的苛刻空間環(huán)境適應(yīng)性要求之間的矛盾。該成果應(yīng)用到我國首個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室——“天宮一號(hào)”上，為航天員艙內(nèi)氣體安全提供保障，使我國在該領(lǐng)域的技術(shù)水平超越美俄等航天科技發(fā)達(dá)國家，位于國際領(lǐng)先。
“下一步，我們還將利用光譜與成像應(yīng)用技術(shù)開展霧霾化學(xué)成分檢測、癌細(xì)胞‘識(shí)別’和癌癥早期檢測等應(yīng)用型研究，相關(guān)成果將直接服務(wù)人類生產(chǎn)生活。”劉偉偉說。
據(jù)介紹，此次獲獎(jiǎng)項(xiàng)目共發(fā)表SCI論文47篇， SCI他引213次。項(xiàng)目研究成果受到了國際同行廣泛關(guān)注，研究工作的挑戰(zhàn)性和開創(chuàng)性被《自然》子刊、美國光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)刊、美國物理學(xué)會(huì)會(huì)刊、英國皇家物理學(xué)會(huì)會(huì)刊等權(quán)威學(xué)術(shù)期刊所肯定，成果被這些權(quán)威期刊遴選為年度亮點(diǎn)論文、封面及封底彩圖等。項(xiàng)目組在國際主流學(xué)術(shù)會(huì)議作30多次特邀或主題報(bào)告。
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