自20世紀(jì)60年代問世以來，激光已在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。近年，超短脈沖激光即超快激光成為激光領(lǐng)域的先端發(fā)展趨勢。脈沖越短，激光的精度越高、釋放的能量越大。在實(shí)驗(yàn)室，激光脈沖已短到飛秒級(jí)別（1飛秒等于千萬億分之一秒）。超快激光投入應(yīng)用，將成為人類工具史上的又一“利器”。然而，近乎極限的“稍縱即逝”、超強(qiáng)的能量釋放，使得可控、穩(wěn)定、測量成為駕馭飛秒激光的世界性難題。
近年來，南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所教授劉偉偉帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)結(jié)合信息光學(xué)、分子光譜學(xué)和等離子科學(xué)的前沿研究進(jìn)展，圍繞如何駕馭超快激光展開了深入研究，并取得一系列重要成果。團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“全光纖近紅外光譜儀”成功解決了“天宮一號(hào)”在軌航天器有害氣體檢測難題，為宇航員艙內(nèi)活動(dòng)安全及航天科學(xué)任務(wù)的開展保駕護(hù)航。今年5月，劉偉偉入選全國首屆“最美青年科技工作者”。
劉偉偉，江蘇淮安人，1994年考入南開大學(xué)物理學(xué)院學(xué)習(xí)應(yīng)用光學(xué)。本科畢業(yè)后留校工作，其后前往加拿大拉瓦爾大學(xué)攻讀超快強(qiáng)激光領(lǐng)域博士學(xué)位，獲得首批“國家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金”。2007年，作為引進(jìn)人才加入南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所工作。系南開大學(xué)超快激光科學(xué)與應(yīng)用研究領(lǐng)域青年學(xué)術(shù)帶頭人。
劉偉偉工作于超快光子學(xué)與太赫茲科學(xué)、分子光譜學(xué)、等離子科學(xué)的前沿交叉研究領(lǐng)域。超快光子學(xué)是滿足科學(xué)技術(shù)發(fā)展對于極短時(shí)間極限追求的主要途徑。但是它強(qiáng)度極高，過程稍縱即逝，掌控超快激光非常困難。
“時(shí)間極短，就好比我們需要在地球上控制月球上一個(gè)人的運(yùn)動(dòng)。任意一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件的稍微變化都會(huì)引起結(jié)果的極大差異。另外，超快激光比太陽光強(qiáng)10的15次方倍。你可以想象千萬億個(gè)太陽同時(shí)照射是個(gè)什么強(qiáng)度，任何測量儀器放那兒一下就打壞了。”劉偉偉說。
圍繞這些問題，劉偉偉深入研究超快激光與物質(zhì)相互作用的物理機(jī)制和非線性動(dòng)力學(xué)過程，發(fā)展關(guān)鍵物理參數(shù)的準(zhǔn)確表征方法、建立有效抑制調(diào)制不穩(wěn)定性的相干調(diào)控原理和探索突破時(shí)空尺度極限的創(chuàng)新性應(yīng)用。
劉偉偉研究的表征方法以非接觸式原位測量為主要?jiǎng)?chuàng)新突破口，取得了超高光強(qiáng)的準(zhǔn)確測量，解決了超高光強(qiáng)擊穿任何探測儀器的實(shí)驗(yàn)困難，為理論模型的建立和驗(yàn)證提供準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)依據(jù)。他實(shí)現(xiàn)公里量級(jí)上對于超快過程、超高光強(qiáng)調(diào)控，為推動(dòng)遠(yuǎn)程大氣污染探測、遠(yuǎn)程激光通訊等實(shí)際應(yīng)用提供了物理基礎(chǔ)。他的另一重要研究成果實(shí)現(xiàn)了分辨率為1/40波長的太赫茲超分辨成像技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)難度就好像將一頭大象裝進(jìn)了一個(gè)火柴盒。
“做科研沒有興趣、沒有成就感，那就根本做不出成績來。”劉偉偉說，他的成就感來自于解決一個(gè)又一個(gè)難題，更來自于看到自己的成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用。他說，自工作以來，最有成就感事莫過于參與了我國首個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室——“天宮一號(hào)”的科研工作。
載人航天最重要的一項(xiàng)指標(biāo)是保障航天員的艙內(nèi)安全，其中有害氣體的檢測極為關(guān)鍵。“比如電線外皮材料受熱，動(dòng)力燃料、制冷劑等的泄漏都會(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)有害氣體增加，直接威脅艙內(nèi)人員的生命安全。這一直是國際宇航界的難題。”劉偉偉說。
2009年，現(xiàn)代光學(xué)所為了拿到“天宮一號(hào)”的這一項(xiàng)目，集全所力量精心制作了數(shù)套方案。在與國內(nèi)同行的幾輪激烈競爭后，最終獲得立項(xiàng)。劉偉偉清楚地記得，項(xiàng)目評審?fù)ㄟ^后，時(shí)任所長母國光院士和課題組老師難抑喜悅之情，在北京找了個(gè)小酒館，一起喝了酒慶祝。
隨后的兩年里，劉偉偉帶領(lǐng)著團(tuán)隊(duì)沒日沒夜地投入研發(fā)。“幾乎是從零開始。那兩年，除了春節(jié)休兩三天，可以說整個(gè)團(tuán)隊(duì)一天都沒有歇過。因?yàn)檎麄€(gè)載人航天的進(jìn)度是不等你的。我們用了兩年的時(shí)間，完成了以往7到8年的研發(fā)任務(wù)。其中的艱苦，常人難以想象。”劉偉偉說。
劉偉偉團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出基于微納結(jié)構(gòu)新型材料的光譜檢測技術(shù)，成功解決了在軌有害氣體檢測多組分、高靈敏度的在線測量性能需求與體積小、重量輕、功耗低的苛刻空間環(huán)境適應(yīng)性要求之間的矛盾。該成果使我國在該領(lǐng)域的技術(shù)水平超越美俄等航天科技發(fā)達(dá)國家，位于國際領(lǐng)先，為我國載人航天工程自主創(chuàng)新做出了重要貢獻(xiàn)。
裝置經(jīng)過中國空間技術(shù)研究院驗(yàn)收通過后，劉偉偉沒來得及慶祝就住進(jìn)了醫(yī)院。連續(xù)兩年的高強(qiáng)度工作，令他患上了多種腰椎疾病，嚴(yán)重時(shí)腿部沒有知覺。與成果驗(yàn)收通過獲得喜悅相比，劉偉偉覺得這點(diǎn)病痛微不足道。
截至目前，劉偉偉已承擔(dān)國家和省部級(jí)科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”，受到霍英東教育基金會(huì)資助；已在重要國際學(xué)術(shù)刊物發(fā)表SCI收錄論文80多篇，引用次數(shù)2600多次，H因子達(dá)到26；獲邀在近30次國際學(xué)術(shù)會(huì)議作特邀報(bào)告；2011年獲“王大珩光學(xué)獎(jiǎng)——中青年科技人員光學(xué)獎(jiǎng)”、“金國藩青年學(xué)子獎(jiǎng)”；2014年入選南開大學(xué)“百名青年學(xué)科帶頭人培養(yǎng)計(jì)劃”；2015年獲第一屆全國太赫茲科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)“大會(huì)優(yōu)秀青年學(xué)者獎(jiǎng)”。
南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所是全國高校中最早具有光學(xué)和光學(xué)工程兩個(gè)學(xué)科博士學(xué)位授予權(quán)的單位之一，其中光學(xué)工程是國家重點(diǎn)一級(jí)學(xué)科。依托于光學(xué)工程國家重點(diǎn)一級(jí)學(xué)科，建立了光學(xué)工程博士后流動(dòng)站和“光學(xué)信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。作為所長，劉偉偉深感責(zé)任重大。
“未來更加著力于光學(xué)所的發(fā)展，希望引進(jìn)更多優(yōu)秀人才，優(yōu)化隊(duì)伍。希望學(xué)科能夠沖到全國前三?？蒲蟹矫妫又匾暢晒D(zhuǎn)化，為使整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展享受到高校科研成果帶來的創(chuàng)新紅利做出貢獻(xiàn)，作為科技工作者，責(zé)無旁貸。”劉偉偉說。
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