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已有樣品/n飛秒電子衍射的主要特點(diǎn)是可以在非常短的時(shí)間尺度上（ps或fs量級(jí)） 顯示反應(yīng)熱、 光、 電， 以及化學(xué)反應(yīng)等對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的影響， 是研究微晶、 表面、 以及薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的先進(jìn)手段。

依托國(guó)家重大儀器專項(xiàng)“高精度光梳成像分析儀應(yīng)用與工程化開發(fā)”（2012-2019年）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“超短脈沖激光隱形切割系統(tǒng)及應(yīng)用” （2018-2022年），在可見和近紅外波段實(shí)現(xiàn)了高光束質(zhì)量、高偏振消光比、抗環(huán)境干擾的超短脈沖輸出。期間，攻克了超短脈沖自穩(wěn)定鎖模技術(shù)、低非線性無畸變脈沖放大技術(shù)，解決了脈沖鎖模器件易受光致?lián)p傷這一制約超快激光發(fā)展和應(yīng)用的根本問題，成功實(shí)現(xiàn)了鎖模光纖種子源光路的永久免維護(hù)。項(xiàng)目開發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)第三代半導(dǎo)體晶圓劃片激光器，在應(yīng)用單位進(jìn)行芯片封測(cè)量產(chǎn)，解決了機(jī)械劃片效率低、易崩邊的難題。項(xiàng)目開發(fā)的激光光源在THz光譜儀器、光子3D打印、非線性光譜成像、激光精密測(cè)量等領(lǐng)域進(jìn)行示范應(yīng)用。

本項(xiàng)目以制備超快高儲(chǔ)能柔性器件為導(dǎo)向，建立基于界面納米復(fù)合材料的新技術(shù)。通過水熱法和電化學(xué)方法在柔性導(dǎo)電基底上構(gòu)建納米陣列/金摻雜二氧化錳的三維納米復(fù)合電極，作為正極；通過水熱法和熱處理法在柔性導(dǎo)電基底上生長(zhǎng)多孔氧化鐵納米復(fù)合材料，作為負(fù)極，組裝全固態(tài)薄膜器件。利用納米復(fù)合材料的多方面優(yōu)勢(shì)加速電子/離子在活性材料中的傳遞，進(jìn)而達(dá)到超快高儲(chǔ)能的目的。基于納米復(fù)合材料的全固態(tài)薄膜器件可展現(xiàn)出超快充電能力（10 V/s），比常規(guī)電容器的充電時(shí)間快10-100倍。這是國(guó)際上基于金屬氧化物贗電容薄膜型超級(jí)電容器研究領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。此外，本項(xiàng)目以開發(fā)超快超柔儲(chǔ)能器件為導(dǎo)向，開發(fā)了一種熱力學(xué)誘導(dǎo)自發(fā)組裝和原位摻雜結(jié)合碳熱還原的方法來實(shí)現(xiàn)石墨烯納米篩粉體和薄膜的宏觀可控制備，解決了傳統(tǒng)石墨烯材料縱向物質(zhì)傳輸差的局限。通過控制碳熱溫度，可以調(diào)節(jié)石墨烯納米篩表面的孔密度，即孔徑大小可控（10~100 nm）。與傳統(tǒng)石墨烯薄膜電極相比，石墨烯納米篩表面豐富的孔結(jié)構(gòu)使得其作為電極材料時(shí)擁有更大的比表面積，而且電解質(zhì)離子可以在垂直于平面的軸向上傳遞，縮短了離子傳輸路徑。

 隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，超快超強(qiáng)激光可以在飛秒的時(shí)間尺度（1飛秒=10-15 秒）內(nèi)作用于電子使電子產(chǎn)生約0.1納米（1納米=10-9米）量級(jí)的空間位移。利用超短超強(qiáng)激光脈沖，人們將可以實(shí)現(xiàn)分子尺度下的電子位置的超快及超高精度的位置控制。然而現(xiàn)有的探測(cè)技術(shù)，卻無法實(shí)現(xiàn)對(duì)電子如此微小位移的精確測(cè)量。隧道掃描顯微鏡（STM）利用的電子量子隧穿信號(hào)能以0.1納米的橫向和0.01納米的縱向分辨率對(duì)靜止的原子進(jìn)行成像，卻無法對(duì)運(yùn)動(dòng)中的電子進(jìn)行成像。光電子顯微鏡（PEEM）成像系統(tǒng)雖然可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)電子的位置，但是其最好的分辨率僅能達(dá)到約3納米，無法在0.1納米的尺度進(jìn)行位移測(cè)量。日前，該團(tuán)隊(duì)利用強(qiáng)場(chǎng)電離中的時(shí)間雙縫干涉圖樣，提出對(duì)電子在激光脈沖下的微小位移進(jìn)行了測(cè)量的新方案，該方案的分辨率可達(dá)0.01納米。為了測(cè)量電子在超短脈沖作用下的位移，他們把導(dǎo)致電子位移的超短脈沖置于兩束較長(zhǎng)反向旋轉(zhuǎn)的圓偏振光之間。兩束反旋向的圓偏振光先后分別電離電子，構(gòu)成時(shí)間上的電子波包雙縫干涉，這在電子動(dòng)量譜中產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)。在沒有中間的超短脈沖時(shí)，該渦旋結(jié)構(gòu)角向是均勻分布的。當(dāng)中間加入了一束任意的被測(cè)超短脈沖，它將作用于前一圓偏光電離的電子使之產(chǎn)生微小位移，這個(gè)微小位移使得電子波包獲得一個(gè)額外相位，從而導(dǎo)致先后兩個(gè)電子波包的干涉結(jié)構(gòu)在角方向產(chǎn)生了非均勻性。他們提出通過測(cè)量這個(gè)非均勻的角向分布，可以準(zhǔn)確地提取出電子在超短脈沖作用下產(chǎn)生的亞納米量級(jí)的微小位移。他們的方案對(duì)激光的焦斑效應(yīng)以及兩束圓偏振光的相位抖動(dòng)具有很好的抗干擾能力。左圖：新方案示意圖；右圖：測(cè)量方案給出的理論預(yù)測(cè)結(jié)果。 理論提出并在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)橢圓偏振強(qiáng)激光橢偏率的原位測(cè)量新方案。他們利用兩束其它參數(shù)相同而旋向相反的橢偏光來電離惰性氣體氙（Xe）原子，強(qiáng)場(chǎng)電離得到的電子閾上電離譜和單電離離子總產(chǎn)率譜敏感地依賴于兩束光脈沖之間的延時(shí)。這些能譜和產(chǎn)率隨延時(shí)的周期性調(diào)制，能夠準(zhǔn)確反映一個(gè)光學(xué)周期之中橢圓偏振光的電場(chǎng)強(qiáng)度的最小和最大值間的比值，因此可以用來準(zhǔn)確提取每一束橢偏光的橢偏率。研究表明，這一橢偏率測(cè)量方案在很大的激光參數(shù)范圍內(nèi)普遍適用，這一工作在準(zhǔn)確表征超快強(qiáng)激光場(chǎng)的性質(zhì)方面邁出了重要一步，將對(duì)強(qiáng)場(chǎng)物理研究中精細(xì)操控原子分子內(nèi)的超快過程起到重要推動(dòng)作用。

項(xiàng)目背景：板帶鋼控制冷卻技術(shù)是現(xiàn)代軋鋼生產(chǎn)過程中節(jié)約能源、控制鋼材組織性能、降低生產(chǎn)成本提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力的重要環(huán)節(jié)。在中厚板和熱連軋帶鋼領(lǐng)域，隨著鋼材品種越來越多，規(guī)格范圍越來越大，對(duì)于軋后控冷裝置的冷卻能力和冷卻均勻性功能提出了更高的需求，傳統(tǒng)的板帶鋼控冷裝置主要采用 U 型集管形式，由于其固有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)冷卻效率較低，冷卻能力受限，冷卻精度差，鋼板和熱軋卷板冷卻板形控制手段欠缺，對(duì)板帶材而言，熱軋板帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和進(jìn)一步提升受到很大的限制。確保熱軋板帶鋼在高速冷卻條件下的平直度，是一個(gè)關(guān)鍵性、瓶頸性的問題，對(duì)新一代的板帶鋼控制冷卻裝置的需求越來越迫切。關(guān)鍵工藝技術(shù)：板帶鋼控冷裝置的核心設(shè)備是板帶鋼上下表面的冷卻器，高冷速、高冷卻均勻性是關(guān)鍵性、核心性問題。北京科技大學(xué)基于對(duì)板帶鋼冷卻過程的換熱機(jī)理及內(nèi)部組織演變機(jī)理的研究，通過實(shí)驗(yàn)室研究與工程實(shí)踐成功開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超密集冷卻器，20mm 帶鋼冷速可達(dá) 50℃/S，冷卻能力可達(dá)到常規(guī) U 型集 管的 2 倍以上、冷卻均勻性可控制在 10℃以內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)板帶鋼長(zhǎng)寬厚三個(gè)方向上高速、高均勻化的冷卻，因而可以得到平直度與性能極佳的板帶鋼產(chǎn)品。

幾年，隨著消費(fèi)電子（手機(jī)、智能手表等）、生物醫(yī)療需求的快速發(fā)展，尤其是代表下一代柔性移動(dòng)顯示屏OLED的巨大應(yīng)用市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，超快激光精密微加工產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)迅速增長(zhǎng)。與傳統(tǒng)的納秒長(zhǎng)脈沖相比，脈寬小于15皮秒的超快激光器用于材料加工時(shí)，由于脈沖的持續(xù)時(shí)間短于材料的熱弛豫時(shí)間，在加工過程中避免熱效應(yīng)，基本不帶來附加損傷和毛刺，適合于微米乃至納米精度的超精細(xì)冷加工。超快激光的瞬間功率極大，幾乎可以和任何材料相互作用，因此適用于超快激光加工的材料范圍幾乎不受限制，尤其有優(yōu)勢(shì)的加工對(duì)象包括玻璃、藍(lán)寶石、陶瓷、太陽能薄膜、半導(dǎo)體晶圓、特種合金、精密醫(yī)療器件等。

通過實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論方法的雙重突破，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子核量子態(tài)的精確描述，揭示了水的核量子效應(yīng)，該成果發(fā)表于《科學(xué)》期刊；通過開發(fā)新型掃描探針技術(shù)，在國(guó)際上首次獲得了單個(gè)鈉離子水合物的原子級(jí)分辨圖像。掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，STM）是一種空間分辨率可以達(dá)到原子量級(jí)的微觀探測(cè)工具。 然而，受電流放大器帶寬的局限，其時(shí)間分辨一般只能達(dá)到微秒量級(jí)（10-6 s），而很多微觀動(dòng)力學(xué)過程往往發(fā)生在皮秒（10-12 s）和飛秒（10-15 s）量級(jí)。  為了提高STM的時(shí)間分辨率，其中一種比較可行的辦法是將超快激光的泵浦-探測(cè)（pump-probe）技術(shù)和STM相結(jié)合，利用超快光與電子隧穿過程的耦合來實(shí)現(xiàn)“飛秒-埃”尺度的極限探測(cè)。

研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)超快掃描隧道顯微鏡，實(shí)現(xiàn)飛秒級(jí)時(shí)間分辨和原子級(jí)空間分辨，并捕捉到金屬氧化物表面單個(gè)極化子的非平衡動(dòng)力學(xué)行為。該工作于5月19日發(fā)表在物理領(lǐng)域頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，并被選為編輯推薦文章。

LaAgSb2，這是一種二維層狀結(jié)構(gòu)材料，分別在207 K和184 K發(fā)生兩個(gè)電荷密度波相變。這兩個(gè)相變對(duì)應(yīng)的電荷密度波的調(diào)制波矢非常小（或者說實(shí)空間的調(diào)制周期非常大），尤其是高溫對(duì)應(yīng)的相變其超格子調(diào)制周期幾乎接近原晶格周期的40倍。利用紅外光譜，他們發(fā)現(xiàn)低頻光電導(dǎo)譜存在顯著的壓制，揭示電荷密度波相變導(dǎo)致單粒子激發(fā)譜上有能隙打開，絕大部分自由載流子由于費(fèi)米面上打開能隙而丟失。尤其有意義的是，利用超快泵浦探測(cè)他們發(fā)現(xiàn)低溫存在兩個(gè)集體激發(fā)模式，其能量尺度非常小，在低溫極限下分別只有0.12 THz（～0.5 meV）和0.34 THz（～1.4 meV）。通過改變探測(cè)光波長(zhǎng)等多種實(shí)驗(yàn)條件，他們確認(rèn)這兩個(gè)集體模式分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)電荷密度波相變的振幅子集體激發(fā)模式。這是首次在電荷密度波材料中觀察到能量尺度如此之小的振幅子激發(fā)