郭春雷中美聯合光子實驗室：讓中美科研成果落地長春

　　從零起點到開始運轉，再到30多人的團隊，郭春雷中美聯合光子實驗室在中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（以下簡稱長春光機所）落成已有一年多時間。

　　實驗室主任、美國羅切斯特大學光學所教授郭春雷在接受《中國科學報》記者采訪時表示：“當年我以學生的身份離開長春，如今我以學者的身份回到長春，在這里建一座新的實驗室，希望借助長春光機所和羅切斯特大學的研究基礎，讓中美科研成果落地長春。”

　　從散射光技術說起

　　材料表面的微納結構對裸眼而言是不可見的，但它們卻對材料的物理、化學和生物性質起到重要決定性作用。

　　在過去幾年時間里，郭春雷及其研究團隊通過將激光脈沖照射至材料表面，發現了操縱微納結構的方法。他們改變了這些材料，使之抗水、親水，并且吸收大量的光，“所有這些都不需要任何形式的鍍膜。”郭春雷說。

　　今年，郭春雷團隊又將研究推進了一步。“我們首創出一種技術，能夠將材料表面的微納結構形成的完整演變過程可視化。”郭春雷解釋道，“我們首先確定了通過在材料表面創建微小結構可以大幅改變材料性質，于是下一步的工作就是理解這些結構是怎樣形成的。”

　　目前，制成一英寸見方的金屬樣品大約需要1小時。明確微納結構是怎樣形成的，可能使科學家們將這些結構的制造流水線化——包括增加形成表面的速度和效率。

　　制作并改變這些小結構將使一些性質變為材料的本征性質，免掉了化學涂層的需求。為了產生這些效應，研究人員使用了飛秒激光器。該激光器輸出了一個持續時間為幾十飛秒的超快脈沖（1飛秒等于千萬億分之一秒）。

　　改變該激光器的條件可以導致表面結構的形態功能變化，比如，它們的幾何性質、大小和密度等，使得材料可以展現出不同的特定物理性質。因為該過程發生在飛秒級、皮秒級和納秒級，所以很難獲取該過程的細節圖像或是影像。

　　光從地球傳播至月球大約需要1秒，但是，1納秒內光的傳播距離大約為1英尺，而1飛秒內的傳播距離大約為0.3微米，僅相當于病毒或是細菌的直徑。

　　郭春雷解釋道，一個典型的攝像機以5~30幀/秒的速度記錄一系列的圖像。當實時放映這一系列圖像時，人眼可以感知連續的動作而不是一系列分離的幀。

　　那么，郭春雷團隊是怎樣做到以幾微秒、幾納秒、幾皮秒的間隔記錄這些幀的呢？他們使用了一種散射光技術。在飛秒激光脈沖期間，光束被一分為二，一束泵浦光束打在靶材料上以產生微納結構變化，另一束探測光束則充當了閃光燈，照亮整個過程并記錄到CCD相機上。

　　郭春雷指出：“通過飛秒的散射光脈沖，我們可以在極快速度下捕獲到非常小的變化，并清楚地看到這些結構是怎樣開始形成的。”

　　于是，郭春雷團隊在Light: Science & Applications發表了一篇文章，介紹了這種通過激光改變材料表面從而記錄超快電影的散射光成像技術。他說：“該技術打開了全過程的窗口，從激光使材料融化，到短暫表面波動，再到鞏固，從而導致永久性的微納結構。”

　　將實驗室引入中國

　　Light: Science & Applications是由長春光機所創辦的光學期刊，影響因子在國際同領域期刊中位列前三。早在2013年，郭春雷訪問長春光機所的時候，就接受了Light: Science & Applications 編輯部頒發的編委聘書，并與相關領域科研人員討論了科研項目合作、人才培養等方面問題。

　　2016年，長春光機所成立郭春雷中美聯合光子實驗室，主要從事超快激光科學、激光與固態物質相互作用、材料科學、納米光電子學等領域研究工作。

　　為什么不選擇北京、上海等大城市？郭春雷的解釋是：“我在美國的實驗室成立于2001年，跟長春光機所有很多相似之處。長春光機所是中國光學的發源地，之前我們一直在探討潛在合作可能，隨著實驗室的成立想法變成了現實。”

　　看著嶄新的辦公樓、齊全的實驗設施，郭春雷感謝長春光機所提供的基礎科研條件，并且他的很多想法正在付諸實踐。如今，中外合作已經頗為常見，郭春雷希望自己在美國和中國的實驗室能互通有無，順利對接。

　　瞄準應用 廣納賢才

　　短短一年的時間，郭春雷中美聯合光子實驗室的科研團隊不斷壯大。郭春雷表示：“我們吸引了南開大學教授、蘇聯院士、海歸博士等眾多人才，招聘工作仍然在繼續。”

　　未來，郭春雷中美聯合光子實驗室將為多種技術提供更廣闊的發展空間，包括抗腐蝕性建材、能量吸收器、燃料電池、空間望遠鏡、飛機融冰、醫學儀器以及第三世界國家的衛生設備。

　　幾年前，郭春雷團隊就研發出一項具有革新性的技術，利用高精度激光讓金屬擁有超疏水特性，簡單地說就是讓金屬具有防水性。郭春雷指出，該技術并不是讓金屬擁有一個類似特氟隆的防水涂層，而是讓金屬本身具有防水性，接觸這種金屬后，水立即彈跳滾開。

　　郭春雷表示，這種超疏水金屬擁有很多應用，例如廚房用具和飛機。如果采用這種金屬，飛機表面不會結冰，因為水無法在這樣的金屬上凍結，在衛生設施較差的貧困國家，這種金屬能夠讓公眾受益，由于獨特的防水特性，這種金屬基本上可以做到“自清潔”。

　　為此，郭春雷團隊的研究獲得比爾與梅琳達·蓋茨基金會和多個美國國家機構的資金支持。最近，梅琳達·蓋茨基金會啟動了一個大科研項目支持郭春雷中美兩個實驗室共同研發新一代衛生材料。

　　盡管中國實驗室目前的科研工作多數是在美國實驗室的基礎上開展，但瞄準應用領域是郭春雷中美聯合光子實驗室成立之初的使命。郭春雷說：“希望我們研究的技術能走進人們的日常生活。”