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已有樣品/n飛秒電子衍射的主要特點是可以在非常短的時間尺度上（ps或fs量級） 顯示反應熱、 光、 電， 以及化學反應等對物質結構變化的影響， 是研究微晶、 表面、 以及薄膜的晶體結構的先進手段。

依托國家重大儀器專項“高精度光梳成像分析儀應用與工程化開發”（2012-2019年）、國家重點研發計劃“超短脈沖激光隱形切割系統及應用” （2018-2022年），在可見和近紅外波段實現了高光束質量、高偏振消光比、抗環境干擾的超短脈沖輸出。期間，攻克了超短脈沖自穩定鎖模技術、低非線性無畸變脈沖放大技術，解決了脈沖鎖模器件易受光致損傷這一制約超快激光發展和應用的根本問題，成功實現了鎖模光纖種子源光路的永久免維護。項目開發了國內首臺第三代半導體晶圓劃片激光器，在應用單位進行芯片封測量產，解決了機械劃片效率低、易崩邊的難題。項目開發的激光光源在THz光譜儀器、光子3D打印、非線性光譜成像、激光精密測量等領域進行示范應用。

1. 痛點問題 惡性腫瘤是威脅人類健康的主要疾病，已成為我國城鄉居民死亡的第一原因。根據世界衛生組織（WHO）統計，腫瘤治療采用手術、放療、化療三大手段進行綜合治療，對惡性腫瘤的治愈率（5年生存率）可達到45%，其中的40%（絕對值的18%）由放射治療貢獻。在最新統計數據中， 發達國家的治愈率已上升至55%，其中放射治療貢獻40%，對應絕對值的22%。隨著技術不斷發展，放射治療將在未來扮演更重要的作用。 我國放射治療裝備國產化率低，相關研究落后。早在1976年我國成功研制首臺國產醫用直線電子加速器，達到世界先進水平。但未能結合數字化和圖像診療等技術，我國廠商與國外先進水平迅速拉開差距，國產設備市占率從2000年初的50%迅速下降至不足10%。目前這種放療設備嚴重依賴進口的情況，造成一定的經濟負擔，也不利于國內放射治療物理師和相關工程技術人員的培養，客觀上限制了放射治療技術在我國的推廣與應用。因此從我國公共衛生事業的發展與戰略角度，亟需解決放療設備國產化問題。 醫用直線加速器利用高能X射線或電子線對腫瘤進行照射。束流模塊是醫用直線加速器中產生高能X射線或電子線的部分，是其中的關鍵核心部件，類似于汽車的發動機。衡量醫用加速器性能的重要指標“劑量率”主要由束流模塊決定，目前國際主流加速器的劑量率在1200MU/min左右。 束流模塊是目前制約國產醫用直線加速器性能提升的“卡脖子”技術，劑量率、穩定性和可靠性是其關鍵，也是國產設備和進口產品存在水平差距的主要因素。突破高性能束流模塊的關鍵技術，對于振興國產醫用加速器產業發展、實現高端醫療器械“自主可控”的國家戰略具有重要意義。 2. 解決方案 本項目通過對緊湊的優化屏蔽系統、高精度的機械對中系統、集成冷卻和高精度溫控系統、功率源及加速管匹配等核心技術的攻關，S波段高性能束流模塊實現劑量率1400MU/min，為國際同類產品的先進水平。可靠性方面，已開展可靠性測試，無故障時間大于1800小時，高壓無故障時間大于200小時，該指標可實現束流模塊在醫院較高負荷使用環境下一年內無故障。 合作需求 尋求醫用加速器相關企業開展業務合作。

本項目以制備超快高儲能柔性器件為導向，建立基于界面納米復合材料的新技術。通過水熱法和電化學方法在柔性導電基底上構建納米陣列/金摻雜二氧化錳的三維納米復合電極，作為正極；通過水熱法和熱處理法在柔性導電基底上生長多孔氧化鐵納米復合材料，作為負極，組裝全固態薄膜器件。利用納米復合材料的多方面優勢加速電子/離子在活性材料中的傳遞，進而達到超快高儲能的目的。基于納米復合材料的全固態薄膜器件可展現出超快充電能力（10 V/s），比常規電容器的充電時間快10-100倍。這是國際上基于金屬氧化物贗電容薄膜型超級電容器研究領域的一個重大突破。此外，本項目以開發超快超柔儲能器件為導向，開發了一種熱力學誘導自發組裝和原位摻雜結合碳熱還原的方法來實現石墨烯納米篩粉體和薄膜的宏觀可控制備，解決了傳統石墨烯材料縱向物質傳輸差的局限。通過控制碳熱溫度，可以調節石墨烯納米篩表面的孔密度，即孔徑大小可控（10~100 nm）。與傳統石墨烯薄膜電極相比，石墨烯納米篩表面豐富的孔結構使得其作為電極材料時擁有更大的比表面積，而且電解質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。

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

項目背景：板帶鋼控制冷卻技術是現代軋鋼生產過程中節約能源、控制鋼材組織性能、降低生產成本提高產品競爭能力的重要環節。在中厚板和熱連軋帶鋼領域，隨著鋼材品種越來越多，規格范圍越來越大，對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，由于其固有的結構特點冷卻效率較低，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，對板帶材而言，熱軋板帶鋼產品質量的穩定性和進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，是一個關鍵性、瓶頸性的問題，對新一代的板帶鋼控制冷卻裝置的需求越來越迫切。關鍵工藝技術：板帶鋼控冷裝置的核心設備是板帶鋼上下表面的冷卻器，高冷速、高冷卻均勻性是關鍵性、核心性問題。北京科技大學基于對板帶鋼冷卻過程的換熱機理及內部組織演變機理的研究，通過實驗室研究與工程實踐成功開發出具有自主知識產權的超密集冷卻器，20mm 帶鋼冷速可達 50℃/S，冷卻能力可達到常規 U 型集 管的 2 倍以上、冷卻均勻性可控制在 10℃以內，可實現板帶鋼長寬厚三個方向上高速、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品。

幾年，隨著消費電子（手機、智能手表等）、生物醫療需求的快速發展，尤其是代表下一代柔性移動顯示屏OLED的巨大應用市場驅動下，超快激光精密微加工產業在世界范圍內迅速增長。與傳統的納秒長脈沖相比，脈寬小于15皮秒的超快激光器用于材料加工時，由于脈沖的持續時間短于材料的熱弛豫時間，在加工過程中避免熱效應，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，尤其有優勢的加工對象包括玻璃、藍寶石、陶瓷、太陽能薄膜、半導體晶圓、特種合金、精密醫療器件等。

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

研制出國內首臺超快掃描隧道顯微鏡，實現飛秒級時間分辨和原子級空間分辨，并捕捉到金屬氧化物表面單個極化子的非平衡動力學行為。該工作于5月19日發表在物理領域頂級期刊《物理評論快報》上，并被選為編輯推薦文章。