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郭春雷教授在Light发表文章被国际著名科技媒体报道
2017-03-16 信息中心 郭宸孜
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    长春光机所中美联合实验室主任郭春雷教授在我所主办期刊《Light: Science & Applications》上发表文章《Direct visualization of the complete evolution of femtosecond laser-induced surface structural dynamics of metals》(http://www.nature.com/lsa/journal/v6/n3/full/lsa2016256a.html)EurekAlertScience DailyR&D Magazine、PHYS.ORG、罗彻斯特大学网站等国际多家著名科技媒体以题为“光速成像”的文章报道。

报道译文如下: 

  材料表面的小型微纳结构对裸眼而言是不可见的,但它们却对材料的物理、化学和生物性质起到了重要的决定性作用。 

  在过去几年里,来自罗彻斯特大学的郭春雷教授及其研究团队通过将激光脉冲照射至材料表面,发现了操纵微纳结构的方法。他们改变了这些材料,使之抗水、亲水、并且吸收大量的光——所有这些都不需要任何形式的镀膜。 

  现在,来自该大学光学所的郭教授、Anatoliy Vorobyev Ranran Fang又将研究推进了一步。他们首创出一种技术,能够将材料表面的微纳结构形成的完整演变过程可视化。 

  “在我们确定通过在材料表面创建微小结构,我们可以大幅改变材料性质之后,自然我们下一个步骤就是理解这些结构是怎样形成的”郭教授说,“这非常重要,因为在你了解它们是怎样形成的之后,你可以更好的控制它们。” 

  这一控制的实现将为多种技术提供提升渠道,包括抗腐蚀性建材、能量吸收器、燃料电池、空间望远镜、飞机融冰、医学仪器以及第三世界国家的卫生设备。 

  Nature子刊Light: Science & Applications发表的一篇文章中,该团队介绍了一种通过激光改变材料表面从而记录超快电影的散射光成像技术。该技术打开了全过程的窗口,从激光使材料融化、到短暂表面波动、再到巩固从而导致永久性的微纳结构。 

  目前,制成一英寸见方的金属样品大约需要1小时。明确微纳结构是怎样形成的,可能使科学家们将这些结构的制造流水线化——包括增加形成表面的速度和效率。制作并改变这些小结构将使一些性质变为了这些材料的本征性质,免掉了化学涂层的需求。 

  为了产生这些效应,研究人员使用了飞秒激光器。该激光器输出了一个持续时间为几十飞秒的超快脉冲(1飞秒等于千万亿分之一秒)。 

  改变该激光器的条件可以导致表面结构的形态功能变化——比如说它们的几何性质、大小和密度——使得材料可以展现出不同的特定物理性质。 

  因为该过程发生在飞秒级、皮秒级和纳秒级,所以很难获取该过程的细节图像或是影像。 

  为了形象看待这一现象,Vorobyev研究员解释道,光从地球传播至月球大约需要1秒。但是,1纳秒内光的传播距离大约为1英尺,而1飞秒内的传播距离大约为0.3微米,仅相当于病毒或是细菌的直径。 

  一个典型的摄像机以5-30/秒的速度记录一系列的图像。当实时放映这一系列图像时,人眼可以感知连续的动作而不是一系列分离的帧。 

  那么,郭教授的团队是怎样做到以几微秒、几皮秒、几纳秒的间隔记录这些帧的呢?他们使用了一种散射光技术。在飞秒激光脉冲期间,光束被一分为二:一束泵浦光束打在靶材料上以产生微纳结构变化,另一束探测光束则充当了闪光灯,照亮整个过程并记录到CCD相机上——一种具备高分辨率的高灵敏度成像设备。 

  “我们非常努力的研发了这一新技术”郭教授说道,“通过飞秒的散射光脉冲,我们可以在极快速度下捕获到非常小的变化。由这些图像,我们可以清楚的看到这些结构是怎样开始形成的。” 

  郭教授解释说,该散射光可视化技术对于捕获任意发生在微小尺度的过程具有广泛应用。“我们研发的这一技术并不仅限于研究我们实验室生成的表面效应。我们这一工作所打下的基础对于研究材料表面的超快和微小变化十分重要。” 这可以包括研究相变,晶格,流体,甚至细胞运动。 

  报道的原文及相关视频图片信息请参见: 

  https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-03/uor-iat031417.php 

  http://www.rochester.edu/newscenter/visualizing-material-effects/ 

 

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