《超短脉冲激光与凝聚态物质相互作用的多维调控研究》

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该项目属于信息学科,光电子学与激光技术/激光应用技术领域。

由于脉冲持续时间超短、瞬态功率极大,超短脉冲激光与凝聚态物质相互作用,展示出了与通常的光与物质相互作用显著不同的特殊规律,成为超精密(纳米)特种制造(特种材料、特殊结构、特定功能)的新方向。对高密度光子流激发所导致的相互作用过程的高度非线性和前所未有复杂性的认知进而调控,成为超短脉冲激光超精密特种制造的科学基础和先决条件。

该项目组立足于超精密特种制造的精度、效率、目标结构的功能实现等核心问题,提出超短脉冲激光与凝聚态物质相互作用多维调控设想,以揭示脉冲激发由弱到强、凝聚态物质中的电子从限域到离域的演变规律为主线,通过时域、空间域、组分三个维度的调控,实现了对作用过程的设计和裁剪,突破解决了作用规律复杂性的可知、可控、可用方面的核心难题。主要科学发现包括:

(1)在时域调控方面,利用脉冲传播光程延迟实现了时域调控,建立了研究超短脉冲激光与凝聚态物质相互作用瞬态过程的协同超快光谱方法体系,一方面解决了若干典型纳米与体材料的光吸收与激发物理机制难题:发现了聚集诱导发光增强(AIE)新机制,建立了碳纳米材料荧光发射的多源竞争模型;另一方面为激光超精密特种制造过程的原位、实时激发调控奠定了物理基础。单篇论文SCI他引242次,该成果被欧洲科学院院士Giannelis教授等认为具有广泛性和普遍性,被后续研究广泛采用并写入专著和教科书。

(2)在空间域调控方面,发现超短脉冲激光与凝聚态物质相互作用过程的光学、化学和材料非线性组合作用规律,实现了超越光学衍射极限的、数十纳米的超精密特种制造空间分辨率;提出了激光分束相干构建光图案、通过材料改性或去除实现图案由光向实物整体转移的思想,实现了宏观尺度(厘米量级)纳米结构的高效率制备。该成果被加拿大皇家学会院士Miller教授、全球高被引Top10化学家Tour教授等称为先驱性工作;诺贝尔物理学奖获得者Novoselov教授认为相干图样转移是制备纳米结构化石墨烯的有效手段之一。

(3)在组分调控方面,提出了光还原、相似相溶包覆等原位光化学改性新机制,从材料组分角度调控超短脉冲激光与凝聚态物质相互作用,解决了高浓度掺杂下的光功能组分的偏析、分相等难题。研究结果被Nature Nanotechnology、Nature Physics、Nature Communications等杂志积极评价;美国医学与生物工程院院士Gracias教授认为该成果是一项创新,特别优美而且具有普适性。

在IEEE和影响因子3.0以上期刊发表论文174篇,其中8篇代表性论文被SCI他引1047次,3篇入选ESI高被引论文,在重要国际会议做Plenary、Keynote和Invited报告64次。培养优青、青千、全国百篇优博各1人,第一完成人于2017同年入选IEEE(国际电气与电子工程师学会)、0SA(美国光学学会)、SPIE(国际光学工程学会)Fellow。入选中国光学重要成果奖2项,获中国光学学会最高奖-王大珩光学奖1项,获得吉林省和教育部自然科学一等奖各1项。

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