论文部分内容阅读
科学技术的每次飞跃都得益于使用前所未有的测量精度、分辨率或灵敏度的物理技术手段。激光的精密光谱科学与技术的发展极大地提高了人类探索自然规律的能力，因此，其被科学界公认为人类探索和揭示微观世界规律，及发展重要前沿科学和高新技术的基点和关键。近20多年来，诺贝尔奖已先后6次颁发给精密光谱科学与技术领域的研究。
华东师范大学在精密光谱科学与技术领域进行了长期的创新性研究，60多年来，经历了分子光谱学与技术、高分辨非线性激光光谱学与技术、精密光谱科学与技术3个发展阶段，并形成了高分辨、高精度、高灵敏光谱科学与技术的优势和特色。为在该领域进行更深入探索，依托于华东师范大学的精密光谱科学与技术国家重点实验室于2007年1月获批准筹建，2009年12月，实验室通过科技部验收。
聚焦研究方向，满足发展需求
自成立以来，实验室紧密结合科学发展前沿和国家重大需求，瞄准精密光谱科学的研究前沿与关键技术问题，聚集和建设一支能在高水平基础和应用基础研究中作出一流成果的科技攻坚队伍。不断挑战时间、空间和频率等基本物理量现有精度极限，着力于获得极短时间、极小空间、极窄频谱、极高强度和极低温度等极端条件，实验室探索和建立了新机制与新原理、新方法与新技术以及新仪器与新装备，并努力在科学研究的前沿及若干交叉领域与高科技应用中收获重要影响和引领作用的创新性成果，建成具有“三高”（即高分辨、高精度、高灵敏）特色的国际一流水平的重要研究基地。
在以高分辨、高精度、高灵敏为特征的精密光谱科学与技术研究领域，不断挑战并突破时间高分辨、频率高分辨、高灵敏度的现有水平已成为科学家追求的目标，也成为重大科学发现的新起点。当前该领域正在向10–18的频率标准精度、10–18秒（阿秒）的时间分辨精度、单量子水平的测控以及XUV超短波段等推进，从而有望开创出处于学科与高技术前沿的全新的精密光谱科学与技术；同时，这也推动着光子精密操控技术、光尺与光钟的研制、超灵敏光谱检测等的发展；并且，超灵敏的光谱学与国民经济领域迫切需求的各种质量标准和超灵敏测量等密切相关。因此，精密光谱科学与技术亟待突破光谱检测灵敏度的现有水平，进一步发展超灵敏激光测距、精确定位、生化分子的灵敏探测等高新技术。
精密光谱科学与技术在提高探索自然规律的能力和解决国家重大需求中有举足轻重的作用。在这样的背景下，实验室瞄准国际最新科学前沿和关键科学技术问题以及国家发展中的重大需求，以不断提高光谱的时—频域分辨率、精度、灵敏度水平为研究的主要目标，布局了5个相互交叉和紧密关联的主要研究方向，并制定出了明确的研究内容与近期目标，建立了光场时—频域的精密控制实验研究平台、极端超快精密光谱学实验研究平台、极紫外光学频率梳及超短波段精密光谱实验研究平台、基于时—频域精密操控的量子调控实验研究平台、单光子精密测控与应用实验研究平台、分子光学与冷分子精密光谱学实验研究平台、超灵敏高精度光谱学实验研究平台的7大平台。为开展高水平、高层次、实质性的国际外学术研究，实验室十分重视并积极与其他高校进行了合作交流。截至目前，实验室已与国际计量局（BIPM）、美国国家标准与技术研究所（NIST）、美国科罗拉多大学、美国Rochest大学、法国巴黎高师集团、加拿大Laval大学等开展了交流合作。同时，实验室还积极邀请本领域的国内外专家和学者来实验室开展访问和交流，并与国内高等院校或中科院研究所，如，中科院上海光机所、山西大学、中国科学技术大学、北京大学等共同承担了多项国家级任务。此外，实验室每年设置开放课题，来促进交叉合作研究、资源高效利用。
以五大方向为基点攀登学科高峰
多年来，实验室一直在精密光谱科学与技术领域探索耕耘。在多年的发展中，实验室形成了五大有特色的研究方向，希望围绕该五大研究方向，能在精密光谱科学与技术领域摘下更多丰硕的研究成果。
1.时—频域精密光谱学研究。在该方向上，实验室以提高光谱时—频域分辨率和精度的新机理、新技术研究，冷镱原子光钟的研制及其关键技术研究，新波段与超短波长的精密光谱学研究，基于时—频域精密控制超快光场的精密光谱学开拓研究展开工作。以期在研究中发展光场时—频域精密控制的新技术，实现国际有影响的全波段高功率飞秒光梳、深紫外激光、远程光纤频标网络、冷镱原子光钟；同时，实验室希望实现光场时频域精密控制下分子轨道与结构、及其变化与相互作用的阿秒时间分辨、亚纳米空间高分辨研究、超灵敏探测，以及实现物理常数的精密测量。
2.原子分子精密光谱学研究。在该研究方向上，实验室开展了冷原子精密光谱学与精密操控研究，分子冷却、操控与冷分子精密光谱学研究，自由基分子和瞬态分子的精密光谱学等研究工作。通过开展超冷原子、分子、量子相干的精密控制研究，来实现长寿命稳定的超冷原子和极性分子气体；通过构建光学可控的量子体系，来实现基于原子分子和光子控制的新型精密原子光谱与量子测量技术；同时，通过发展高精度和高分辨光谱，以求实现对物理常数的精密测量和基本规律进行研究。
3.超灵敏光谱学研究。围绕超灵敏光谱学新机理与新方法研究，单光子探测与控制新技术与新仪器研究，单光子非线性光学研究与原子系综的量子关联光束研究，实验室对超灵敏光谱学领域进行了探索。在研究中，实验室基于单光子灵敏探测技术研制多光束光子计数激光成像装备、百公里无人机搭载光子数分辨通信系统来进行光子数分辨卫星测距测角实验，研制新型单光子源、高效量子关联光源，以期实现量子关联超灵敏光谱测量、标准量子极限的高灵敏干涉测量，并拓展尖端航空航天精密光谱测量和保密通信的应用。
4.精密光谱学相关交叉前沿开拓与应用研究。在该领域，实验室进行了精密光谱学方法与技术在生物分子反应动力学以及微纳材料等新型物质测控等方面的前沿研究。通过这些研究，实验室希望能够实现污染物、有毒化学分子的高灵敏光谱探针探测应用、时间分辨检测及成像；发展激光微纳米加工新原理新技术，拓展精密制造应用与新型材料结构性能测控的交叉应用；此外，还希望发展理论计算方法和超快时空分辨激光成像技术，开拓蛋白质分子结构和动力学以及新型物质结构的超快光电性能等方面的前沿研究。
5.精密光谱学的前瞻性理论研究。在该研究方向上，实验室对相关精密测量新机理与新方法的前沿性理论进行了研究。希望能够结合精密光谱实验研究，发展有效的理论与计算方法去开展原子、分子、光子系综的量子操控与量子关联研究；探索与提出精密光谱学与精密测量的新机理与新方法。
在多年的探索中，实验室在分子高阶阈上解离研究中，观测到了分子高阶阈上解离原子核能谱，为激光场制备高能离子开辟了新途径；发展了电子—原子核的关联能谱技术，为探索分子内电子—核的关联效应，以及分子结构和轨道成像等提供了新方法。在Grover算法研究中，实验室首次推广了Grover算法。在分子超快强场作用下電子重俘获行为精密测控研究中，实验室首次实时观测到了电子被解离核重新俘获的超快动态演化过程，揭示了电子重俘获超快动力学的基本物理过程，为利用时频精密控制的超快光场选择性激发里德堡态提供了新思路。除此之外，实验室在基于单光子计数和相干测量的多维光谱新方法、空芯光子晶体光纤中光脉冲的存储与读取、分子芯片表面的静电晶格、稀土离子价态转化的超快光场调控、两束飞秒光丝干涉在水中形成的等离子体光栅、卤素原子的超精细光谱等研究中也收获众多研究成果。
精密光谱科学与技术是发展具有战略意义的尖端高新技术的重要科学基础。当前我国急需解决的诸多重大问题，与国民经济和国家建设密切相关的标准战略、环境战略、公共安全等，都迫切需要精密光谱科学与技术的创新研究成果以及所提供的新机理、新方法、新技术和新装备。为满足国家发展需求，实验室将在众多成就之上继续向前开拓。
华东师范大学在精密光谱科学与技术领域进行了长期的创新性研究，60多年来，经历了分子光谱学与技术、高分辨非线性激光光谱学与技术、精密光谱科学与技术3个发展阶段，并形成了高分辨、高精度、高灵敏光谱科学与技术的优势和特色。为在该领域进行更深入探索，依托于华东师范大学的精密光谱科学与技术国家重点实验室于2007年1月获批准筹建，2009年12月，实验室通过科技部验收。
聚焦研究方向，满足发展需求
自成立以来，实验室紧密结合科学发展前沿和国家重大需求，瞄准精密光谱科学的研究前沿与关键技术问题，聚集和建设一支能在高水平基础和应用基础研究中作出一流成果的科技攻坚队伍。不断挑战时间、空间和频率等基本物理量现有精度极限，着力于获得极短时间、极小空间、极窄频谱、极高强度和极低温度等极端条件，实验室探索和建立了新机制与新原理、新方法与新技术以及新仪器与新装备，并努力在科学研究的前沿及若干交叉领域与高科技应用中收获重要影响和引领作用的创新性成果，建成具有“三高”（即高分辨、高精度、高灵敏）特色的国际一流水平的重要研究基地。
在以高分辨、高精度、高灵敏为特征的精密光谱科学与技术研究领域，不断挑战并突破时间高分辨、频率高分辨、高灵敏度的现有水平已成为科学家追求的目标，也成为重大科学发现的新起点。当前该领域正在向10–18的频率标准精度、10–18秒（阿秒）的时间分辨精度、单量子水平的测控以及XUV超短波段等推进，从而有望开创出处于学科与高技术前沿的全新的精密光谱科学与技术；同时，这也推动着光子精密操控技术、光尺与光钟的研制、超灵敏光谱检测等的发展；并且，超灵敏的光谱学与国民经济领域迫切需求的各种质量标准和超灵敏测量等密切相关。因此，精密光谱科学与技术亟待突破光谱检测灵敏度的现有水平，进一步发展超灵敏激光测距、精确定位、生化分子的灵敏探测等高新技术。
精密光谱科学与技术在提高探索自然规律的能力和解决国家重大需求中有举足轻重的作用。在这样的背景下，实验室瞄准国际最新科学前沿和关键科学技术问题以及国家发展中的重大需求，以不断提高光谱的时—频域分辨率、精度、灵敏度水平为研究的主要目标，布局了5个相互交叉和紧密关联的主要研究方向，并制定出了明确的研究内容与近期目标，建立了光场时—频域的精密控制实验研究平台、极端超快精密光谱学实验研究平台、极紫外光学频率梳及超短波段精密光谱实验研究平台、基于时—频域精密操控的量子调控实验研究平台、单光子精密测控与应用实验研究平台、分子光学与冷分子精密光谱学实验研究平台、超灵敏高精度光谱学实验研究平台的7大平台。为开展高水平、高层次、实质性的国际外学术研究，实验室十分重视并积极与其他高校进行了合作交流。截至目前，实验室已与国际计量局（BIPM）、美国国家标准与技术研究所（NIST）、美国科罗拉多大学、美国Rochest大学、法国巴黎高师集团、加拿大Laval大学等开展了交流合作。同时，实验室还积极邀请本领域的国内外专家和学者来实验室开展访问和交流，并与国内高等院校或中科院研究所，如，中科院上海光机所、山西大学、中国科学技术大学、北京大学等共同承担了多项国家级任务。此外，实验室每年设置开放课题，来促进交叉合作研究、资源高效利用。
以五大方向为基点攀登学科高峰
多年来，实验室一直在精密光谱科学与技术领域探索耕耘。在多年的发展中，实验室形成了五大有特色的研究方向，希望围绕该五大研究方向，能在精密光谱科学与技术领域摘下更多丰硕的研究成果。
1.时—频域精密光谱学研究。在该方向上，实验室以提高光谱时—频域分辨率和精度的新机理、新技术研究，冷镱原子光钟的研制及其关键技术研究，新波段与超短波长的精密光谱学研究，基于时—频域精密控制超快光场的精密光谱学开拓研究展开工作。以期在研究中发展光场时—频域精密控制的新技术，实现国际有影响的全波段高功率飞秒光梳、深紫外激光、远程光纤频标网络、冷镱原子光钟；同时，实验室希望实现光场时频域精密控制下分子轨道与结构、及其变化与相互作用的阿秒时间分辨、亚纳米空间高分辨研究、超灵敏探测，以及实现物理常数的精密测量。
2.原子分子精密光谱学研究。在该研究方向上，实验室开展了冷原子精密光谱学与精密操控研究，分子冷却、操控与冷分子精密光谱学研究，自由基分子和瞬态分子的精密光谱学等研究工作。通过开展超冷原子、分子、量子相干的精密控制研究，来实现长寿命稳定的超冷原子和极性分子气体；通过构建光学可控的量子体系，来实现基于原子分子和光子控制的新型精密原子光谱与量子测量技术；同时，通过发展高精度和高分辨光谱，以求实现对物理常数的精密测量和基本规律进行研究。
3.超灵敏光谱学研究。围绕超灵敏光谱学新机理与新方法研究，单光子探测与控制新技术与新仪器研究，单光子非线性光学研究与原子系综的量子关联光束研究，实验室对超灵敏光谱学领域进行了探索。在研究中，实验室基于单光子灵敏探测技术研制多光束光子计数激光成像装备、百公里无人机搭载光子数分辨通信系统来进行光子数分辨卫星测距测角实验，研制新型单光子源、高效量子关联光源，以期实现量子关联超灵敏光谱测量、标准量子极限的高灵敏干涉测量，并拓展尖端航空航天精密光谱测量和保密通信的应用。
4.精密光谱学相关交叉前沿开拓与应用研究。在该领域，实验室进行了精密光谱学方法与技术在生物分子反应动力学以及微纳材料等新型物质测控等方面的前沿研究。通过这些研究，实验室希望能够实现污染物、有毒化学分子的高灵敏光谱探针探测应用、时间分辨检测及成像；发展激光微纳米加工新原理新技术，拓展精密制造应用与新型材料结构性能测控的交叉应用；此外，还希望发展理论计算方法和超快时空分辨激光成像技术，开拓蛋白质分子结构和动力学以及新型物质结构的超快光电性能等方面的前沿研究。
5.精密光谱学的前瞻性理论研究。在该研究方向上，实验室对相关精密测量新机理与新方法的前沿性理论进行了研究。希望能够结合精密光谱实验研究，发展有效的理论与计算方法去开展原子、分子、光子系综的量子操控与量子关联研究；探索与提出精密光谱学与精密测量的新机理与新方法。
在多年的探索中，实验室在分子高阶阈上解离研究中，观测到了分子高阶阈上解离原子核能谱，为激光场制备高能离子开辟了新途径；发展了电子—原子核的关联能谱技术，为探索分子内电子—核的关联效应，以及分子结构和轨道成像等提供了新方法。在Grover算法研究中，实验室首次推广了Grover算法。在分子超快强场作用下電子重俘获行为精密测控研究中，实验室首次实时观测到了电子被解离核重新俘获的超快动态演化过程，揭示了电子重俘获超快动力学的基本物理过程，为利用时频精密控制的超快光场选择性激发里德堡态提供了新思路。除此之外，实验室在基于单光子计数和相干测量的多维光谱新方法、空芯光子晶体光纤中光脉冲的存储与读取、分子芯片表面的静电晶格、稀土离子价态转化的超快光场调控、两束飞秒光丝干涉在水中形成的等离子体光栅、卤素原子的超精细光谱等研究中也收获众多研究成果。
精密光谱科学与技术是发展具有战略意义的尖端高新技术的重要科学基础。当前我国急需解决的诸多重大问题，与国民经济和国家建设密切相关的标准战略、环境战略、公共安全等，都迫切需要精密光谱科学与技术的创新研究成果以及所提供的新机理、新方法、新技术和新装备。为满足国家发展需求，实验室将在众多成就之上继续向前开拓。