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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） 顯示反應(yīng)熱、 光、 電， 以及化學(xué)反應(yīng)等對物質(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、激光精密測量等領(lǐng)域進(jìn)行示范應(yīng)用。

1. 痛點(diǎn)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(xiāng)居民死亡的第一原因。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）統(tǒng)計(jì)，腫瘤治療采用手術(shù)、放療、化療三大手段進(jìn)行綜合治療，對惡性腫瘤的治愈率（5年生存率）可達(dá)到45%，其中的40%（絕對值的18%）由放射治療貢獻(xiàn)。在最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中， 發(fā)達(dá)國家的治愈率已上升至55%，其中放射治療貢獻(xiàn)40%，對應(yīng)絕對值的22%。隨著技術(shù)不斷發(fā)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(chǎn)化率低，相關(guān)研究落后。早在1976年我國成功研制首臺(tái)國產(chǎn)醫(yī)用直線電子加速器，達(dá)到世界先進(jìn)水平。但未能結(jié)合數(shù)字化和圖像診療等技術(shù)，我國廠商與國外先進(jìn)水平迅速拉開差距，國產(chǎn)設(shè)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(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口的情況，造成一定的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，也不利于國內(nèi)放射治療物理師和相關(guān)工程技術(shù)人員的培養(yǎng)，客觀上限制了放射治療技術(shù)在我國的推廣與應(yīng)用。因此從我國公共衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展與戰(zhàn)略角度，亟需解決放療設(shè)備國產(chǎn)化問題。 醫(yī)用直線加速器利用高能X射線或電子線對腫瘤進(jìn)行照射。束流模塊是醫(yī)用直線加速器中產(chǎn)生高能X射線或電子線的部分，是其中的關(guān)鍵核心部件，類似于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)。衡量醫(yī)用加速器性能的重要指標(biāo)“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(chǎn)醫(yī)用直線加速器性能提升的“卡脖子”技術(shù)，劑量率、穩(wěn)定性和可靠性是其關(guān)鍵，也是國產(chǎn)設(shè)備和進(jìn)口產(chǎn)品存在水平差距的主要因素。突破高性能束流模塊的關(guān)鍵技術(shù)，對于振興國產(chǎn)醫(yī)用加速器產(chǎn)業(yè)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)高端醫(yī)療器械“自主可控”的國家戰(zhàn)略具有重要意義。 2. 解決方案 本項(xiàng)目通過對緊湊的優(yōu)化屏蔽系統(tǒng)、高精度的機(jī)械對中系統(tǒng)、集成冷卻和高精度溫控系統(tǒng)、功率源及加速管匹配等核心技術(shù)的攻關(guān)，S波段高性能束流模塊實(shí)現(xiàn)劑量率1400MU/min，為國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。可靠性方面，已開展可靠性測試，無故障時(shí)間大于1800小時(shí)，高壓無故障時(shí)間大于200小時(shí)，該指標(biāo)可實(shí)現(xiàn)束流模塊在醫(yī)院較高負(fù)荷使用環(huán)境下一年內(nèi)無故障。 合作需求 尋求醫(yī)用加速器相關(guān)企業(yè)開展業(yè)務(wù)合作。

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。這是國際上基于金屬氧化物贗電容薄膜型超級電容器研究領(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)有的探測技術(shù)，卻無法實(shí)現(xiàn)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(jìn)行成像，卻無法對運(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)行位移測量。日前，該團(tuán)隊(duì)利用強(qiáng)場電離中的時(shí)間雙縫干涉圖樣，提出對電子在激光脈沖下的微小位移進(jìn)行了測量的新方案，該方案的分辨率可達(dá)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(dǎo)致電子位移的超短脈沖置于兩束較長反向旋轉(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)生的亞納米量級的微小位移。他們的方案對激光的焦斑效應(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：測量方案給出的理論預(yù)測結(jié)果。 理論提出并在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了對橢圓偏振強(qiáng)激光橢偏率的原位測量新方案。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)激光場的性質(zhì)方面邁出了重要一步，將對強(qiáng)場物理研究中精細(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)品競爭能力的重要環(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。與傳統(tǒng)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(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)勢的加工對象包括玻璃、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，在國際上率先實(shí)現(xiàn)了對原子核量子態(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)，在國際上首次獲得了單個(gè)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(dá)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(shí)間分辨一般只能達(dá)到微秒量級（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。  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（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。

研制出國內(nèi)首臺(tái)超快掃描隧道顯微鏡，實(shí)現(xiàn)飛秒級時(shí)間分辨和原子級空間分辨，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)域頂級期刊《物理評論快報(bào)》上，并被選為編輯推薦文章。