《面向大氣污染監測的超快雷射成絲現象及控制研究》是依託南開大學，由劉偉偉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：面向大氣污染監測的超快雷射成絲現象及控制研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉偉偉
- 依託單位：南開大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
超快雷射在透明光學介質中傳播時所產生的一種獨特的非線性現象――超快雷射成絲，已成為超快雷射科學研究的最新前沿之一。在超快雷射成絲的眾多套用中，利用成絲雷射雷達進行大氣污染監測是最令人矚目的研究方向之一，它不僅對於大氣污染常態檢測，而且在應對突發重大污染事故、生化武器威脅等方面都有重大的套用價值。本項目面向這一重要套用，研究複雜大氣環境下超快雷射成絲現象的動態過程和相應的光絲品質控制技術。系統研究不同實驗條件下光絲品質參數對於指紋螢光譜的影響、合理的理論模型支持，及微光學器件或輔助脈衝技術在指紋螢光譜最佳化方面的套用原理。重點解決複雜大氣環境下的超快雷射成絲傳輸動力學物理機制、微光學器件在超快雷射成絲控制套用中的基本原理等關鍵科學問題。本項目研究內容在國際上剛剛起步，在國內尚屬空白。通過該課題實施，預期掌握成絲雷射雷達的核心技術和自主智慧財產權，為推動國內相關研究領域向國際領先水平發展做出貢獻。
結題摘要
在大氣中，光絲中的雷射功率密度可以達到10^13-14 W/cm^2的水平，能夠激發任何物質的指紋螢光譜，可套用於檢測包括大生化分子、浮塵和氣溶膠在內的大氣污染物。其研究意義實際上已經超出普通污染監測的範疇，對於及時應對突發重大污染事故、生化武器探測和預警都有重大的套用價值。 目前制約探測靈敏度進一步提高的主要原因素就是缺少在複雜大氣環境中最佳化光絲誘導指紋螢光譜的可靠技術和相應的理論支持。為解決這一關鍵科學問題，本項目系統研究複雜大氣環境下的超快雷射成絲傳輸動力學物理機制、微光學器件在超快雷射成絲控制套用中的基本原理等內容。 項目研究均按計畫進行，取得的代表性研究成果有： （1）表征方法研究方面，結合螢光光譜學，系統診斷了峰值功率最大超過TW的雷射誘導電離過程中電漿的密度、溫度、空間分布等演化特性；同時，通過研究分子動力學機制，建立螢光強度和雷射強度之間定量關係，實現了＞10^14W/cm^2超高光強的非接觸式原位測量。 （2）建立了系統的成絲動力學理論模型，指導調控並最佳化超快雷射與物質相互作用動力學過程。通過空間相位整形，提高了超快雷射誘導分子螢光的穩定性和強度（擾動＜0.5%，強度提高8倍）；利用微錐透鏡或相位板，產生雷射陣列，3維空間內提高雷射與物質相互作用長度，提升螢光產生等非線性過程效率。 基於完成成果，項目發表22篇學術論文，SCI收錄19篇，其中在Optics Letters、Optics Express、Scientific Reports、Laser Physics Letters等高水平期刊發表10篇。課題組成員在國際學術會議做11次報告，其中特邀報告7次，口頭報告2次，張貼報告2次。依託項目培養，已畢業5名碩士生和4名博士生，另有3名博士和6名碩士在讀。 項目提出的一系列超快過程表征和基本物理參數測量的創新技術，為豐富實驗認識、建立正確理論模型提供技術支撐；建立了系統的理論模型，深刻認識自聚焦、自相位調製、多光子電離等非線性光學效應相互作用機制；提出了調控並最佳化超快雷射與物質相互作用動力學過程的相干控制新原理，為大氣污染遠程探測提供了技術基礎。通過該課題實施，我們掌握成絲雷射雷達的核心技術和自主智慧財產權，將為推動國內相關研究領域向國際領先水平發展做出貢獻。
