国家自然科学奖初评通过项目-电荷转移分子体系光学非线性及超快全光开关实现
| 项目名称： | 电荷转移分子体系光学非线性及超快全光开关实现 |
| 推荐单位： | 中国物理学会 |
| 项目简介： | “光控光”全光开关是光子学应用和全光信息处理的基础，具有超快和大三阶非线性光学响应材料的获得是其应用实现的瓶颈。本项目系统开展了pi电子共轭分子体系电荷转移提高三阶光学非线性和低阈值超快全光开关器件研究。提出通过复合分子材料激发态电荷快速转移获得超快和共振增强三阶非线性光学响应的新途径，实现皮秒响应和低阈值全光开关原型器件；率先开展新型富勒烯及电荷转移复合体三阶非线性光学性质研究。主要成果如下： 一、发明电荷转移提高分子三阶光学非线性专利并实现超快全光开关器件。开展多种电荷转移复合体分子三阶非线性光学研究, 验证了分子内电荷转移可提高三阶光学非线性系数 2-3 个数量级，相关论文单篇SCI他引55次。进一步将分子内部电荷转移概念拓展到分子间电荷转移，发明了通过复合分子体系激发态快速分子间电荷转移实现超快和大非线性光学响应的专利，提高超快非线性光学系数3-4个数量级。利用香豆素染料分子掺杂聚苯乙烯复合材料实现了光子晶体全光开关原型器件，开关阈值功率降低4个量级，达到0.1MW/cm2，同时保持皮秒的超快速响应和80%的高开关效率，解决了全光开关多年来一直未能解决的超快开关速度和超低开关阈值要求的矛盾。工作发表在重要期刊Nature Photonics上并被同期"新闻观察"专栏以"光控制光子"为题评述“将阈值功率降低到普通激光二极管就能够使用的水平”和“为实现信号处理所需的全光开关提供了解决的方案”。论文还得到Nanomaterials Worlds期刊，NPG Asia Material期刊，英国物理学会和Nature China等十多个刊物和网站报道，被评述为 “发明了一种获得超快和低泵浦功率光子晶体开关的新方法”，“开拓了实现全光控制的新途径”和“将促进光计算的发展”。 二、开展富勒烯光学非线性研究。率先报道了富勒烯分子三阶非线性光学系数，被“东京化成”公司产品目录所引用并被同行称为“首次”或 “率先”的工作。随后，开展了富勒烯电荷转移复合体体系的超快光克尔实验研究，指出形成富勒烯电荷转移体可提高分子三阶光学非线性系数 2-3 个数量级，并保留飞秒的超快响应。工作被著名非线性光学专家Torres教授在其发表Chem. Rev.综述中评述为“最新的和有效的增强三阶光学非线性的方法”。发表的代表性论文单篇SCI他引65次，并被《C60フラ-レンの化学》专集介绍。发表的4篇论文同时被总结在《Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials》系列手册中并以“首次测量”等较大篇幅介绍。项目还率先开展了单层纳米碳管超快三阶光学非线性研究。论文单篇他引37次并被称为“最早2项实验研究工作之一”。 项目在Nature Photonics等重要刊物发表SCI论文72篇，SCI他引1132次，其中8篇代表性论文他引241次，并被四本专著或产品目录所引用；授权发明专利3项。研究成果获物理学会饶毓泰物理奖和北京市科学技术进步一等奖。龚旗煌获香港求是基金会杰出青年（物理）奖，美国光学学会Fellow和英国物理学会Fellow等荣誉。 |
| 主要完成人： | 龚旗煌 项目整体负责和研究思路提出。开展了大量 pi 电子共轭分子体系三阶光学非线性性质研究, 实现了有机电荷转移复合体提高三阶非线性光学系数的方法; 提出了通过激发态电荷(或能量)转移同时实现材料的超快速时间响应和近共振增强非线性光学效应的新原理,解决了材料的非线性光学系数共振增大将导致时间响应变慢的难题，为非线性光学新材料的研究提供了一条新的途径；实现了低功率、超快速光子晶体全光开关等器件原型。对重要科学发现中所列的第1、2 项作出了创造性贡献，是全部代表性论文的通讯作者或第一作者。本项研究占本人工作量 70%。 胡小永 实验和理论研究了超快光子晶体开关等光材料和器件研究，作为第一完成人报导了激发态超快电荷转移新材料体系、光子晶体超快光开关等器件物理工作。对重要科学发现中所列的第1 项作出了创造性贡献，是代表性论文(1)和(8) 第一作者和三个授权发明专利的主发明人。本项研究占本人工作量 80%。 王树峰 实验和理论研究了超快三阶非线性光学材料性能和结构的关系，作为第一完成人报导了单层纳米碳管巨大的三阶非线性光学系数，完成了富勒烯分子体系，包括单体和电荷转移复合体等材料的系统研究工作。对重要科学发现中所列的第2 项作出了创造性贡献，是代表性论文[4]和[5] 第一作者， [3]和[6]主要作者。本项研究占本人工作量 80%。 杨宏 负责飞秒时间分辨光克尔效应等光学非线性研究实验系统的建立和正常运转。直接参与新型 π-电子有机电荷转移分子的飞秒光克尔响应；超快光子晶体开关实验研究。对重要科学发现中所列的第1、2 项作出了创新性贡献，是代表性论文[1]，[4]-[6]的主要作者。本项研究占本人工作量 70%。 |
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