近紅外光譜分析技術就是利用激光給分子“拍照”，用于分子的識別，因其應用領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，電子信息與光學工程學院教授、現(xiàn)代光學所所長劉偉偉及其團隊運用這項技術解決了在軌航天器有害氣體檢測難題，還把“駕馭”激光消除有害物質作為最新科研項目，使我國在自主控制超快激光這一領域達到世界先進水平。
日前，該團隊“超快激光與物質相互作用機制、調(diào)控及應用研究”項目榮獲天津市2016年度自然科學一等獎。
自20世紀60年代問世以來，激光已在工業(yè)、醫(yī)學、軍事等眾多領域廣泛應用。近年，超短脈沖激光即超快激光成為激光領域的先端發(fā)展趨勢。脈沖越短，激光的精度越高、釋放的能量越大。在實驗室，激光脈沖已短到飛秒級別(1飛秒等于千萬億分之一秒)。超快激光投入應用，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。
“超快激光與物質相互作用機制、調(diào)控及應用研究屬于光學工程領域，開展超快光子學、信息光學、分子光譜學與等離子科學的前沿交叉研究。”劉偉偉說。
由于超快時間尺度(對應分子、電子運動時間)和超高激光強度(可輕易擊穿任何物質)，超快激光與物質相互作用包含豐富的線性和非線性光學效應，這些效應相互競爭、相互制約，體現(xiàn)出高度非線性和極端不穩(wěn)定性。這阻礙了相關基礎理論研究的發(fā)展，并造成其難以廣泛應用。
為解決“駕馭”超快激光與物質相互作用這一關鍵科學問題，劉偉偉團隊展開科學攻關。他們的主要思路是，深入研究超快激光與物質相互作用的物理機制和非線性動力學過程，建立有效抑制調(diào)制不穩(wěn)定性的相干調(diào)控原理，探索突破時空尺度極限的創(chuàng)新性應用。
劉偉偉介紹，該項目的主要有3個方面的創(chuàng)新點。
首先，在超高光強(~1014 W/cm2，相當于太陽輻照到地球光強的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)極端實驗條件下研究激光與物質相互作用非線性動力學機制，為實驗研究和調(diào)控方法發(fā)展提供理論指導。
其次，相干調(diào)控原理研究緊密圍繞遠程應用需求，成果實現(xiàn)百米量級超快過程、超高光強調(diào)控，為推動遠程大氣污染激光探測技術、遠程激光通訊等實際應用提供物理基礎。
再次，創(chuàng)新應用探索凸顯超快時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(分辨率達到四十分之一波長)等成果，有望應用于癌癥早期檢測等。
深入基礎研究的同時，劉偉偉團隊時刻不忘國家需求，聚焦實際問題。結合國家航天計劃，劉偉偉團隊曾創(chuàng)造性地提出基于微納結構新型材料的光譜檢測技術，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)境適應性要求之間的矛盾。該成果應用到我國首個空間實驗室——“天宮一號”上，為航天員艙內(nèi)氣體安全提供保障，使我國在該領域的技術水平超越美俄等航天科技發(fā)達國家，位于國際領先。
“下一步，我們還將利用光譜與成像應用技術開展霧霾化學成分檢測、癌細胞‘識別’和癌癥早期檢測等應用型研究，相關成果將直接服務人類生產(chǎn)生活。”劉偉偉說。
據(jù)介紹，此次獲獎項目共發(fā)表SCI論文47篇， SCI他引213次。項目研究成果受到了國際同行廣泛關注，研究工作的挑戰(zhàn)性和開創(chuàng)性被《自然》子刊、美國光學學會會刊、美國物理學會會刊、英國皇家物理學會會刊等權威學術期刊所肯定，成果被這些權威期刊遴選為年度亮點論文、封面及封底彩圖等。項目組在國際主流學術會議作30多次特邀或主題報告。
日前，該團隊“超快激光與物質相互作用機制、調(diào)控及應用研究”項目榮獲天津市2016年度自然科學一等獎。
自20世紀60年代問世以來，激光已在工業(yè)、醫(yī)學、軍事等眾多領域廣泛應用。近年，超短脈沖激光即超快激光成為激光領域的先端發(fā)展趨勢。脈沖越短，激光的精度越高、釋放的能量越大。在實驗室，激光脈沖已短到飛秒級別(1飛秒等于千萬億分之一秒)。超快激光投入應用，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。
“超快激光與物質相互作用機制、調(diào)控及應用研究屬于光學工程領域，開展超快光子學、信息光學、分子光譜學與等離子科學的前沿交叉研究。”劉偉偉說。
由于超快時間尺度(對應分子、電子運動時間)和超高激光強度(可輕易擊穿任何物質)，超快激光與物質相互作用包含豐富的線性和非線性光學效應，這些效應相互競爭、相互制約，體現(xiàn)出高度非線性和極端不穩(wěn)定性。這阻礙了相關基礎理論研究的發(fā)展，并造成其難以廣泛應用。
為解決“駕馭”超快激光與物質相互作用這一關鍵科學問題，劉偉偉團隊展開科學攻關。他們的主要思路是，深入研究超快激光與物質相互作用的物理機制和非線性動力學過程，建立有效抑制調(diào)制不穩(wěn)定性的相干調(diào)控原理，探索突破時空尺度極限的創(chuàng)新性應用。
劉偉偉介紹，該項目的主要有3個方面的創(chuàng)新點。
首先，在超高光強(~1014 W/cm2，相當于太陽輻照到地球光強的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)極端實驗條件下研究激光與物質相互作用非線性動力學機制，為實驗研究和調(diào)控方法發(fā)展提供理論指導。
其次，相干調(diào)控原理研究緊密圍繞遠程應用需求，成果實現(xiàn)百米量級超快過程、超高光強調(diào)控，為推動遠程大氣污染激光探測技術、遠程激光通訊等實際應用提供物理基礎。
再次，創(chuàng)新應用探索凸顯超快時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(分辨率達到四十分之一波長)等成果，有望應用于癌癥早期檢測等。
深入基礎研究的同時，劉偉偉團隊時刻不忘國家需求，聚焦實際問題。結合國家航天計劃，劉偉偉團隊曾創(chuàng)造性地提出基于微納結構新型材料的光譜檢測技術，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)境適應性要求之間的矛盾。該成果應用到我國首個空間實驗室——“天宮一號”上，為航天員艙內(nèi)氣體安全提供保障，使我國在該領域的技術水平超越美俄等航天科技發(fā)達國家，位于國際領先。
“下一步，我們還將利用光譜與成像應用技術開展霧霾化學成分檢測、癌細胞‘識別’和癌癥早期檢測等應用型研究，相關成果將直接服務人類生產(chǎn)生活。”劉偉偉說。
據(jù)介紹，此次獲獎項目共發(fā)表SCI論文47篇， SCI他引213次。項目研究成果受到了國際同行廣泛關注，研究工作的挑戰(zhàn)性和開創(chuàng)性被《自然》子刊、美國光學學會會刊、美國物理學會會刊、英國皇家物理學會會刊等權威學術期刊所肯定，成果被這些權威期刊遴選為年度亮點論文、封面及封底彩圖等。項目組在國際主流學術會議作30多次特邀或主題報告。
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