飞秒激光应用前沿

2010 年 第2 期 国 际 学 术 动 态 飞秒激光应用前沿 邱建荣 （浙江大学材料系，杭州 310027） 2009年 8月 30日～9月 3日，由浙江大学和日 本北海道大学联合主办，浙江大学承办，浙江大学材 料系邱建荣教授和日本北海道大学三泽弘明教授担 任大会组委会主席的“飞秒激光应用前沿国际研讨 会”在杭州举行。 飞秒激光是 20个世纪末迅速发展起来的一种 超强超快激光技术，与其他长脉冲激光以及连续激 光不同，它具有超短脉冲、超高电场和超宽频谱等特 性，是一种实验室可以实现的极端的物理条件。当其 与物质产生相互作用时可以产生形形色色的基于光 与物质非线性相互作用的现象。飞秒激光技术已广 泛应用于信息、能源、环境、医疗、国防和基础科学研 究等各个领域，产生了一批重大发现和重要研究成 果。1999年诺贝尔化学奖授予美国加州理工学院的 泽维尔教授以彰他在利用飞秒激光的泵浦探测技 术研究分子反应的动力学过程的开拓性成果。2005 年的诺贝尔物理学奖也与飞秒激光的频率疏进行光 频的精密检测有关。飞秒激光与物质的相互作用涉 及光学、凝聚态物理学、化学、材料科学等多个学科 领域，是当今国际科学的重要前沿领域之一。 为了促进飞秒激光与物质相互作用研究领域的 发展，把握国际上相关领域的发展现状，展示我国科 学家在飞秒激光技术与应用上的研究成果，加强我 国与其他国家科学家的合作，浙江大学与日本北海 道大学共同主办了本次会议。本次会议不仅受到国 内飞秒激光技术与应用领域学者的关注，同时吸引 了国际上众多科学家的眼光。共有来自中国、日本、 美国、英国、加拿大、韩国等国家的 80余位专家、学 者参加了会议，其中国内代表 54人，国外代表 27 人。会议共收到中外 47篇。会议为期 3天，其 中包括两天半大会报告和半天会议参观游览。会议 围绕着当今飞秒激光与物质相互作用领域最受关注 的主题展开，尤其是飞秒激光诱导微结构的动力学 过程和物理机制，飞秒激光诱导微结构的应用等热 点进行精彩的演讲和热烈的讨论。 日本东京大学的 Koji Hatanaka 教授作了题为 “PW/cm2 Femtosecond Laser- condensed Matter Interaction Resulting in X- ray Pulse Emission”的邀请 报告。他系统研究了利用包括玻璃和晶体各种材料 用 PW/cm2的超强飞秒激光实现脉冲 X射线的产 生，并从理论上对 X射线产生的机理进行了考察。 这种方法有望实现简易地用于时间分辨的 X射线 源，在观察原子以及电子的超高速运动将发挥作用。 但是就材料选择方面而言似乎缺乏理论支撑。 日本奈良尖端科技大学的 Yoichiroh Hosokawa 教授作了题为“Estimation of Local Force of Biological Cellular Adhesion by Femtosecond Laser Micro ‘Tsunami’”的邀请报告。他利用聚焦的飞秒激光作 用到液体时，在焦点处会产生冲击波，将其命名为 “Tsunami（海啸）”。由于冲击波的作用，即使不在激 光聚焦点，也能够使液体中的生物大分子产生远离 焦点的移动。他们估算了这种冲击波的作用力的大 小，并演示了利用冲击波非破坏性地将非紧密键合 的生物分子分离，在细胞等大分子的操控等领域有 一定的应用。但是其技术的精确度远没有直接利用 光镊对分子进行操控和组装有效。 日本京都大学的 Masaaki Sakakura教授作了题 为“Dynamics of Femtosecond Laser Processing inside Glasses— Dependence on Pulse Duration”的邀请报 告。他们利用过渡透镜法即利用泵浦光照射后引起 邱建荣: 教授。 Tel: 0571-88925079 E－mail: qjr@zju.edu.cn 学术前沿 19 2010 年 第2 期 国 际 学 术 动 态 的折射率的经时变化这种时间分辨技术，研究了飞 秒激光照射后照射区域玻璃的折射率变化的动力学 过程，并系统讨论了脉冲宽度的影响。一个重要的发 现是飞秒激光照射后刚开始诱导的结果与光强分布 紧密对应，但是随之结构由于热扩散呈圆对称。另外 这种技术对于飞秒激光诱导氧化还原和纳米粒子析 出动力学非常有效。 日本北海道大学的 Hiroaki Misawa教授作了题 为“Applications of the Laser 3D- structured Materials” 的邀请报告。该小组近年来在飞秒激光与物质相互 作用方面取得了系列开拓性成果。他们利用飞秒激 光的双光子聚合，形成了精度达 30纳米的超精细结 构，并利用这种结构构筑了金刚石型以及由众多弹 簧组成的三维光子晶体结构，并演示了这些结构具 有光子带隙。他们还发现当紧聚焦到白宝石时，刚开 始会形成一个纳米尺度的空洞，而空洞的周围形成 了非晶态的 Al2O3，增加激光照射的脉冲数会使非晶 态的 Al2O3转变为多晶的 Al2O3。利用这种技术实现 了在白宝石内部形成三维通道。这种技术有望应用 于三维液流通道。 英国南安普敦大学的 Peter G. Kazansky作了题 为“NewPhenomena in Ultrafast Laser Interaction with Matter”的邀请报告。他们在发现飞秒诱导偏振依赖 的发光特性后，接连发现了与激光偏振有关的纳米 光栅的形成，并利用俄歇能谱确认了纳米光栅中氧 离子产生了迁移。他们提出了解释这一现象的物理 机制，也就是飞秒激光与飞秒激光诱导的等离子体 产生的干涉场与材料产生相互作用，导致了周期性 调制的微结构。另外还发现 LiNbO3晶体沿不同方向 扫描时形成的不同结构，提出了飞秒光场的 tilt效 应。一系列的新发现表明飞秒激光与物质的相互作 用具有与其他激光完全不同的特性。 日本理化学研究所的 Koji Sugioka教授作了题 为“Nanoaquarium Fabricated by Femtosecond Laser for Dynamic Observation of Microorganisms”的邀请报告。 他们用聚焦飞秒激光照射掺杂了 Ag和 Ce离子的 感光玻璃，然后再在一定温度下热处理使激光聚焦 照射过的地方产生析晶，然后再进一步泡在稀释的 氢氟酸中，将照射过的部分溶析出来，形成三维液 流，他们将其称之为“纳米水族馆”，然后将微生物引 入液流系统，微生物只能沿液流运动，这样就能在显 微镜下观察生物的运动轨迹和特性。 中科院上海光机所的 Ya Cheng教授作了题为 “Integration of Multifunctional Microdevices with Femtosecond Laser Pulses”的邀请报告。他将飞秒激 光比喻为“马良的神笔”，用与 Koji Sugioka教授报道 的类似方法演示了构筑微反射系统、激光微腔以及 光调节器。 中国华东师范大学的 Tianqing Jia教授作了题 为“Complex Nanopatterns on 6H- SiC, ZnO Crystals Induced by the Interference of Multi- beam Femtosecond Laser”的邀请报告。他们演示了利用单 光束和多光束飞秒激光实现 6H- SiC和 ZnO的表面 周期结构，发现了周期结构与深度、偏振有关的现 象，并提出了解释这些现象的物理机制。另外他们 还发现了飞秒激光照射可以调制发光、吸收等光学 性能。 日本 Hiroaki Nishiyama 教授作了题为“Three- dimensional Surfaces of Inorganic Materials Fabricated by Femtosecond Laser Lithography”的邀请报告。他们 主要报告了在石英玻璃以及 Si表面形成三维微结 构的技术。 日本德岛大学的 ShigekiMatsuo教授作了“Three- dimensional Microstructuring inside Transparent Solid Substrates Assisted by Femtosecond Laser Pulses”的邀 请报告。有意思的是他们发现飞秒激光照射玻璃后， 照射过的区域与未照射区域对酸或碱具有不同的溶 析特性，通过选择酸和碱的种类和浓度，可以实现精 细的三维空洞结构。 日本理化学研究所的 Nobuyuki Takeyasu 博士 作了题为“Multi- photon Induced Polymerization for Threedimensional Metal/polymer Fine Structures”的邀 请报告。他们除了介绍利用双光子聚合形成三维光 电子功能微结构外，还通过飞秒激光照射金、银离子 的还原，构筑了纳、微米尺度的金、银线，并测了电 阻。虽然结构相当粗糙，但是不失为一种先驱性的 尝试。 中国浙江大学 Jianrong Qiu 教授作了题为 “Femtosecond Laser Induced Migration of Electron and Ion”的邀请报告。他们发现了飞秒激光照射后碱金 属离子、稀土离子等的选择性向外扩散现象，并随之 导致 B离子等配位状态的变化，另外这种现象比想 象要远远复杂的多，他们进一步发现了改变激光能 量可以调制离子的分布状态。另外还介绍了飞秒激 学术前沿 20 2010 年 第2 期 国 际 学 术 动 态 光诱导的电子授受过程以及氧化还原反应的机理和 在可擦重写超高密度三维光存储的应用。 日本产业综合研究机构的 Wataru Watanabe教 授作了题为“Femtosecond Laser Modifications in Polymer Materials”的邀请报告。他介绍了飞秒激光 用于在透明高分子材料内部形成光波导和光栅结 构。一个有意义的现象是他们发现了在某些高分子 中诱导的折射率变化具有自恢复特性。他们将飞秒 激光诱导的结构分为折射率变化、双折射以及空洞 和微裂纹四大类。 另有 20多个 Contributed- talk，共有 33位中外 代表作了报告。中方主要参加单位有北京大学、浙江 大学、吉林大学、中科院物理所、中科院化学所、上海 光机所等。大会话题丰富，内容精彩，气氛活跃。对于另 外的 12个张贴报告，大家也展开了热烈的讨论。 此次国际性研讨会是第一次飞秒激光与物质相 互作用专题国际会议，其顺利召开具有非常重要的 意义，促进国内学者与国际同行专家进行广泛而友 好的交流，了解世界各国在飞秒激光与物质相互作 用领域的最新进展和研究动态，同时向世界各国展 示了我国在该领域的研究现况，提升我国在该学术 领域的世界地位，并寻求新的合作和发展。从本次会 议提交的论文和发言情况看，国内代表关注的问题 涉及面较宽，主要是飞秒激光技术、结构表征技术在 高技术等国民经济领域中的应用；国外代表关注的 是较为基础的科学问题和方法。 大会交流的内容广泛而丰富，报告生动具体、讨 论热烈，能够很好地了解和学习国外相关领域的最 新发展现状等，促进了飞秒激光与物质相互作用研 究领域的国际学术交流，合作与发展。大家一致认为 应将这个会议发展成系列国际会议，每两年轮流在 中日两国召开，并逐渐拓展会议规模。 分布式传感网络前沿技术及实时应用 陈 纯 卜佳俊 俞 琦 （浙江大学软件学院，杭州310027） 传感网络是由大量传感节点通过无线通信、以 自组织方式构成的网络，目的是协同地感知、采集和 处理网络覆盖区域中感知对象的信息，最终传输到 观察者。传感网络综合了传感器技术、嵌入式计算技 术和无线网络通信技术，在军事监控、工业过程控 制、环境检测、医疗监控和智能家居等方面具有广阔 的应用前景，已引起国内外广泛的关注和研究。被美 国《MIT技术评论》评为“对人类未来生活产生深远 影响的十大新兴技术之一”；被美国《商业周刊》评为 “21世纪高技术领域的四大支柱型产业之一”。 分布式传感网络已成为目前学术界、工业界研 究的热点。分布式传感网络前沿技术与实时应用国 际研讨会（IRADSN）由《国际分布式传感网络期刊》 （International Journal of Distributed Sensor Networks , IJDSN, SCI 检索的传感网络国际期刊） 主编 S. Sitharama Iyengar教授等人于 2005年创办。该会议 由资深的传感网络领域专家组成技术委员会，已在 美国成功举办3届，吸引了世界上很多大学和研究 机构的参与，有效地推动了分布式传感网络前沿技 术的发展。该会议的举办能够有效地提升浙江大学 在分布式传感网络研究领域中的学术地位及国际影 响力，促进浙江大学与国际著名期刊、国际著名学者 的学术联系，为缩短国内相关学科与世界一流学科 的差距发挥积极的作用。 陈纯: 教授，博导。 Tel: 0571－87951990 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 学术前沿 21