年终盘点让光学人印象深刻的激光科研新突破,EditSprings,艾德思



原标题:年终盘点｜让光学人印象深刻的激光科研新突破

这一年激光相关研究取得了哪些突破?今天就为大家进行一下盘点,有兴趣的朋友们看看吧.

 

科学家利用3D飞秒激光纳米光刻技术 制备晶体纳米结构

 

YAG(钇铝石榴石)晶体中的亚波长衍射光栅和MOW(微结构光波导).

a)在可见光照射下,长度为厘米级/间距为700 nm光栅的图像.

b)实验并计算了波长为1070 nm的亚波长光栅(间距为700 nm)的绝对衍射效率.计算公式为衍射功率除以入射到嵌入光栅的功率.Error bars图对应于～％的实验标准偏差.插图:制作的光栅的扫描电子显微镜(SEM)特写图像.

c)六边形结构的光波导,水平孔距500 nm,平均孔径166nm x 386 nm,长4 mm.d)波长为1550 nm/862 nm(垂直)和972 nm(水平)的半峰全宽(full－width at half maximum,FWHM)处的模拟强度模式.e)1550 nm处测量的波导输出模式的衍射受限近场图像,FWHM约为～ μm.

据麦姆斯咨询报道,材料的光学特性由其化学性质和固有的亚波长结构决定,尽管后者仍有待深入表征.

光子晶体和超材料已经证明了这一点,它们通过表面的改变可提供一种全新的超越材料已知自然光学特性的光操控.然而,在过去30年的研究中,现有的技术方式已无法可靠地在材料表面以外的纳米结构硬脆光学晶体中进行深入的光学表征和相关应用.

例如,半导体行业开发的激光光刻是表面处理技术,用于有效刻蚀多种材料,包括硅/石英玻璃和聚合物等.该工艺用于生产高质量的二维(2D)纳米光子器件,可以扩展到三维(3D),20年前红外飞秒激光直写技术就已经证明了这一点.然而,光聚合结构是不切实际的,因为它们不能与其它光子元件接合.虽然3D纳米结构光纤提供的功能远远超出了普通非结构化玻璃可提供的功能,从而使非线性光学和光通信发生了革命性变化,但在晶体介质中进行可靠的材料制造仍然难以实现.

替代方式包括用激光诱导介质击穿和在透明晶体内触发的微爆(micro－explosion)直接加工3D纳米结构,从而在其中产生空隙并形成亚微米结构.但是这种方式存在扩大晶格损伤和加深裂纹的风险.因此,尽管科学家们付出了大量努力,大规模3D晶体纳米结构的标准方式仍有待报道.

近期发表在<自然光子学>(Nature Photonics)杂志上的一项研究表明,Airan Rodenas及其光子学与纳米技术研究所及物理系的同事们打破了现有的晶体纳米结构工程设计方式.

他们提出了一种不同的方式,利用晶体的湿法刻蚀速率和多光子3D激光直写技术(3DLW),可以在纳米尺度上局部改变晶体的内部化学反应活性,从而形成致密的纳米孔晶格.

跨学科的科学家表明,在100nm范围内具有任意特征的厘米级长度的空孔晶格可以在诸如钇铝石榴石(YAG)和蓝宝石等之类的关键晶体内部产生,通常可用于实际应用中.Rodenas等人在刻蚀之前进行直接激光写入,在固态激光晶体内部产生光子应用所需的孔结构.

 

在YAG中,利用3DLW设计的湿法刻蚀纳米孔晶格.

a)对纳米孔晶格刻蚀120小时,沿x和y方向的平均孔尺寸(257±7nm和454±13nm),沿z方向长度为1mm.

b)湿法刻蚀2小时后垂直重叠的纳米孔(沿x和y方向的平均孔尺寸为131 ± 5 nm和1300 ± 35 nm,长度为1mm).

c)沿z方向刻蚀1小时后的纳米孔,在光学显微镜下拍摄的图像(长度为129 ± μm).

在实验中,科学家们使用了标准的3DLW和镱锁模超快光纤激光器(波长1030nm,脉冲持续时间350fs).使用数值孔径(numerical aperture,NA)为的油浸物镜将激光脉冲紧密聚焦在晶体内部.Rodenas等人通过计算机控制的XYZ线性平台对样品进行3D纳米定位.激光照射后,他们再横向抛光晶体,露出照射区域的结构,然后进行湿法化学刻蚀.为此,YAG晶体是在去离子水中用热磷酸刻蚀的.刻蚀工艺目前的关键技术限制是难以清除采用上述详细制造方式后的纳米孔内的废酸.

结果显示,改性和原始晶体状态的分子刻蚀选择性相差1 x 10＾5,迄今为止,这在光辐照材料中都没有被观察到.观察值比硅上氧化铝刻蚀掩模的观察值高大约两个数量级.

Rodenas等人测定了未改性YAG的刻蚀速率为～1nm／h.所提出的方式能够在亚波长结构的晶体中设计和制造纳米光子元件,以提供所需的光学响应.通过结合3DLW和湿法刻蚀,科学家们就能够控制YAG晶体中纳米孔晶格的方向/尺寸/形状/填充率和长度等特征.

将YAG晶格刻蚀120小时,以获得x和y方向上的平均孔尺寸.通过调整激光功率和偏振来控制孔的形状和尺寸.刻蚀后的纳米孔直径取决于激光功率,未来可对激光束线偏振和圆偏振状态进行研究.作为这项技术的限制,他们发现3D光子结构在空间上的特性是孤立的,需要支撑壁,并且还会受到收缩和光学损伤阈值较低的影响.

 

(1)YAG中线偏振和圆偏振的激光功率与孔径和横截面纵横比相关.(A)对孔刻蚀1小时后,测量的线偏振(linear polarization,LP)和圆偏振(circular polarization,CP)的孔宽度(红色)和高度(蓝色)与功率的相关性.(B)线偏振和圆偏振的横截面孔纵横比(高度除以宽度)与功率的相关性.

(2)刻蚀纵横交错的纳米孔.(A)在原始明场透射图像中描绘了刻蚀孔和未刻蚀孔之间的高折射率对比.(B)不同垂直偏移位置的90o交叉孔的3D草图.(C,D)90°和不同交叉高度的交叉孔SEM照片.银(Ag)溅射的纳米颗粒在主表面上也是可见的.(E)孔内部光滑表面的特写视图.(图片来源:Nature Photonics)

科学家们利用圆偏振设计了光子结构,在200nm以下的纳米级区域可重复地产生气孔.在晶体中产生的纳米光子结构(气孔光子晶格)保持了与最新多光子聚合光刻技术相当的空间分辨率.

对于实际应用,纳米光子器件需要强大有效的光学互连,从而与其它光学元件形成大型复杂的电路设计.为了实现这一点,Rodenas等人通过控制不同的刻蚀速率来保持光学改性的量和周围晶体之间的大孔长度,然后用扫描电子显微镜(SEM)观察并证明了3D刻蚀过程.

 

从毫米级到厘米级的长度刻蚀YAG中的纳米孔.

(A)被刻蚀孔的光学显微镜侧视图.

(B)被刻蚀纳米孔的光学显微镜俯视图.

(C)被刻蚀纳米孔的SEM侧视图.

在170小时内,科学家们获得了横截面积为368nm x 726nm/长度为的纳米孔;这表明可以在单个刻蚀步骤中设计具有毫米级长度的纳米孔.

纳米光子器件通常需要从微米级到厘米级的晶格尺寸,而不会因应力过度导致晶体脆性断裂.通过这种方法,科学家们实施了一种方案,即在整个样本中以所需比例均匀刻蚀纳米结构和微结构光波导(MOW).

为了测试所观察到的YAG纳米孔刻蚀的选择性是否可以转移到其它晶体类型上,科学家们用蓝宝石进行了类似的纳米结构实验.他们发现蓝宝石中平行纳米孔的刻蚀速率约为1 x 10＾5,类似于YAG,并且高于先前在蓝宝石中刻蚀微通道时观察到的速率.Rodenas及其同事在蓝宝石中形成了毫米级长度的纳米孔,其横截面短至～120nm,并通过设计刻蚀170小时后的纳米孔晶格来测试该方式的可行性,未观察到晶体裂开.

 

(1)通过3D连接刻蚀孔实现无限长且均匀刻蚀纳米孔晶格的方案.(A)用于MOW的垂直刻蚀通道结构的3D草图.(B)通过MOW的抛光切口的SEM,部分显示3D刻蚀孔.(C)间隔80μm的垂直刻蚀通道的MOW刻蚀阵列的显微镜俯视图.

(2)在蓝宝石中刻蚀毫米级长度的孔.a)在总刻蚀时间为170 小时之后,三个1mm长孔阵列的暗场图像.每个阵列上的孔以～10 mW写入,深度范围从4μm到30 μm.b)刻蚀30分钟后以中等功率()和29μm深度写入的孔的实例.c)在24 μm深度和光学改性功率阈值(～4 mW)写入的两个孔的实例,在这两个孔中没有观察到次生孔.

将晶格形成控制到纳米级的能力在光子应用中非常实用.例如,在固态激光晶体中,光子带隙晶格可以设计为在可见光到中红外范围内的阻带,用于光子信息技术.为了进一步挖掘3D纳米光刻技术的潜力,Rodenas等人设计了具有不同晶格间距和腔体尺寸的MOW.可见光照射下,他们获得了厘米级长度/700 nm间距的光栅.

Rodenas等人在亚波长光栅材料制造之前,对其进行了理论研究和模拟实验.对于数值模拟,他们在COMSOL Multiphysics 4.2软件中使用了有限元法(FEM).科学家们在制造之前也使用相同的有限元软件和方式对YAG MOW进行建模.

这种制造可控3D晶体纳米结构的能力为设计紧凑的单片固态激光器开辟了新的途径.得到的晶体可以在晶体内部结合传统的腔体(光栅/纤维/微流体冷却通道)或新型微谐振器等.

设计大型纳米结构激光晶体的良好前景将为计量应用中的精密技术提供新的基础,同时还能够在微电子学中使用超强可变形激光纳米纤维以及在医学中用于药物输送.

上海光机所 超强超短激光驱动新型光镊 研究取得进展

中国科学院上海光机所强场激光物理国家重点实验室徐至展院士研究团队在超强超短激光驱动新型光镊(相对论涡旋刀)操控粒子束研究中取得重要进展.

该研究团队在三维PIC模拟中利用相对论圆偏振拉盖尔—高斯激光第一次实现了新型光镊——相对论"涡旋刀',产生空间周期性分布的电子团簇.这一最新研究成果2019年1月14日在线发表于<物理评论快报>.

2018年诺贝尔物理学奖分别颁给了A. Ashikin, G. Mourou和D. Strickland,表彰他们在激光物理领域的突破性发明.

1970年,A. Ashikin第一次发明光镊技术并将其应用于生物学领域,实验发现:利用连续激光的光压可以实现微米量级粒子的加速和捕获.

1985年,G. Mourou, 和 D. Strickland两人则发明了啁啾脉冲放大(CPA)激光技术,开启了相对论飞秒激光驱动等离子体相互作用的大门.这两项都非常值得被授予诺贝尔奖,但它们之间并没有那么紧密的联系.

本项研究中,王文鹏博士等研究人员利用相对论圆偏振拉盖尔—高斯LG01(σz= -1)激光直接将传统的弱光领域内的光镊拓展到了相对论激光领域,产生了新型光镊——相对论"涡旋刀'.

研究发现这种相对论涡旋刀(电场)可以在每个激光周期实现会聚和发散,从而可以驱动周期性电子团簇产生.文中提出的单粒子模型很好的解释了模拟中电子团簇形成的原因,并且发现这种涡旋刀操控电子的行为依赖于LG激光中的轨道角动量参数l和自旋角动量参数σz.

该相对论"涡旋刀'驱动操控的粒子束具有高电荷量/高准直性的特点且操控简单,更容易获得高品质束流,对粒子加速/超快电子衍射/超快电子成像/加速器中粒子注入/惯性约束聚变快点火/THz和X光辐射源产生等应用具有极其重要意义.

该项研究得到了国家自然科学基金/中科院先导B类专项等项目的支持.

 

图1 相对论涡旋刀驱动产生周期性电子团簇

中国科学院 单模激光输出与动态调控 研究获进展

一直以来,激光器的研发都备受人们的关注.由于多模激光器不仅存在群速色散导致的脉冲展宽和虚假信号,同时也会产生模式竞争造成信号不稳定,因此,获得单模激光输出就成了解决上述问题的有效策略.

目前,人们可以通过多种方法获得单模激光输出,例如:减小腔体尺寸/DBR/DFB技术/Vernier效应等.然而,这些方式都需要经过精密的腔体设计以及复杂的制备工艺,此外,利用这些方式实现的单模输出不具备可逆性,而实现动态/可持续单模激光输出仍缺乏有效的研究方案.

中国科学院北京纳米能源与系统研究所发布动态称,该研究所王中林/潘曹峰及卢俊峰近日在先前报道的动态调控ZnO回音壁激光模式的基础上,利用压电极化效应和压阻效应协同作用,对激光模式进行选择性输出,并实现单模激光输出与动态调控,也为进一步推进以颜色分辨为信号源的应力传感器构建件打下坚实的基础.

相关成果以Dynamic Regulating of Single-Mode-Lasing in ZnO Microcavity by Piezoelectric Effect 为题发表在近期的Materials Today上.

 

图:模式调控机制

日本研发出不使用光的新型激光

日本国立信息学研究所山本喜久教授领导的研究小组成功研发出不使用光的新型"激光'(Laser).研究小组利用电子空穴之间相互吸引争夺的"激发粒子'代替光波,通过粒子的作用激发产生"激光'.新型"激光'所需的电力为传统激光的百分之一以下.这种新型"激光'可作为大规模集成电路(LSI)中信息传递的媒介,使用这种"激光'媒介的大规模集成电路的功耗可以做得很小.此项研究成果发表于英国<自然>科学期刊.

"激发粒子'产生并存在于半导体中,重量仅为氢原子的千分之一,并且具有波的性质.山本喜久的研究小组对半导体照射波长为800纳米的电磁波,发现其可以与"激发粒子'紧密地相互结合,并且重量可变为普通"激发粒子'的万分之一以下.研究小组在特殊构造的半导体端子中,使电磁波与"激发粒子'相互共振,产生了新型"激光'.

目前,在大规模集成电路中金属配线中的电子承担着信号传输的功能.为了降低电力消耗,许多国家在推进利用激光代替电子进行信号传输的相关研究.

此次,日本国立信息学研究所研发出的新型"激光'是更加前沿的技术,为集成电路的信号传导探索了一条新路,并且对今后电子设备的节能具有重要的意义.

中国科学院

研制出基于激光诱导击穿光谱技术 的新型环境监测系统

中科院安徽光学精密机械研究所研究员赵南京研制出一种新型环境监测系统——"工业排放废水重金属在线监测技术系统',可对工业排放废水中多种重金属进行实时在线自动监测.该系统已通过专家组验收.

目前,对水体中重金属的在线测量主要采用比色法和电化学分析法,这两种方式各有缺陷,有的不能同时测量多种离子,有的灵敏度较低.

据了解,该系统基于激光诱导击穿光谱技术,以石墨基片为水样载体,通过自动加载与卸载石墨基片/水样自动进样与精确滴定/样品烘干/光谱测量与分析,从而实现废水重金属含量的连续在线自动监测,可同时测量铅/镉/铬/铜/镍/锌等多种重金属元素.

科研人员在一家金属冶炼厂进行了为期两周的外场示范运行试验,结果显示测量稳定性误差在5％以下,相对误差在0．02％至9．1％之间.系统连续运行期间,无人值守但运行稳定/可靠.

美科学家 开发出首款 全固态中红外激光束转向控制器件

美国科学家设计开发了一种用于中红外激光束的非机械芯片转向器件.与万向驱动反射镜等类似技术相比,该芯片可以实现3 ～ 5um波长光束的二维连续扫描,且扫描速度更快.

该芯片由美国海军研究实验室(U．S． Naval Research Laboratory, NRL)开发制造,是一种固态器件,被称为"可控电瞬变光学折射镜'(Steerable electro－evanescent optical refractor, SEEOR).这些芯片已经在电信波长下的光束转向中展示了应用前景,未来有可能进入自动驾驶汽车领域.NRL科学家认为他们的SEEOR是第一款可以在中红外波段运行的器件.

 

SEEOR芯片可将中波红外激光输入光,在无需机械装置的情况下,在输出端以二维方法控制光束转向

SEEOR看起来像一个衬底上有多层薄膜的小三明治,侧面看起来像一个梯形的硅片.该三明治结构包含厚度约为1．2um硫系玻璃无源波导芯/液晶层和带有图案电极的盖玻片.整个芯片长48．5mm,宽14．5mm,深2．75mm.

源自4．6um波长量子级联激光器的准直光在一端进入SEEOR,施加到电极的电压重新定向液晶分子,从而以受控模式改变其折射率.

这款概念验证器件可以在14°x 0．6°的二维范围内转向操纵中红外光束.不过,只有约3％的入射光能够从SEEOR的另一端射出,但NRL科学家表示,通过添加抗反射涂层和其他优化来减少内部散射,可以大大提高光通过量.

美军研发超短脉冲激光武器

据外媒报道,经过25年研究以及制作了足以填满一个博物馆的无效"奇异武器'之后,五角大楼研制出了"可伸缩紧凑型超短脉冲激光系统'(SCUPLS).

美国防部"非致命性联合武器局'(JNLWD)在2018年9月开始了一个为期3年的项目,以便最终生产出一种可行的非致命性激光等离子武器.最新加入到林林总总的激光武器名录中的是"可伸缩紧凑型超短脉冲激光系统'(SCUPLS),它将使用新的短脉冲激光器.

据了解,与PEP射弹一样,SCUPLS系统的尺寸小得足以安装到轻型战术车辆上,但它需要具有比先前的激光武器版本大得多的功率.

此外,SCUPLS系统取决于您怎样调整设置,具有让人失去视力和听力,以及让人晕厥或被烧伤的功能.

钙钛矿纳米激光领域 研究获得重要进展

太原理工大学物理与光电工程学院李国辉博士/崔艳霞教授在钙钛矿纳米激光领域取得重要进展.

芯片上的光电集成是未来信息科学技术的发展趋势,其中的关键之一就是纳米激光器.而纳米激光研制的终极目标是实现电泵浦.

与传统的半导体材料相比,钙钛矿具有长载流子寿命(10－100纳秒)/长扩散长度/高荧光产率以及波长可调谐等优点,在光伏/激光/光电探测器/发光二极管等领域有巨大的应用前景.

目前,钙钛矿纳米激光器都采用激光泵浦,由激光泵浦到电泵浦的关键之一就是降低激光产生的阈值从而降低注入电流密度.针对这一难题,李国辉博士/崔艳霞教授及其合作者采用化学气相沉积方式制备出表面达到原子级平滑(平均表面粗糙度小于2纳米)的形状规则的正三角形和正六边形钙钛矿纳米片,纳米片的边长低至27微米,厚度低至70纳米.

在激光特性研究的实验中,他们发现所制备原子级平滑的钙钛矿纳米片谐振腔显著降低了散射损耗从而大幅度提高了钙钛矿纳米片激光的性能,其谐振腔品质因子高达2600,激光的光谱线宽低至0．3纳米(测试受到光谱仪的光谱分辨率限制),相应地,激光产生的阈值也下降到18．7微焦每平方厘米,是目前同类激光器中全世界最低的.这一开创性的工作将有力的推动钙钛矿纳米激光研究的快速发展.

相关研究成果已发表在顶尖期刊上.

科学家研发出新型定向随机激光器

芬兰坦佩雷理工大学/意大利罗马三大/英国南安普敦大学以及美国凯斯西储大学的一组研究人员展示了一种新型随机激光器设计,通过光诱导孤子波导改善了激光特性并将激光输出引导到指定方向.

这种激光器表现出类似晶体管的行为,因为孤子有助于系统的运行,并且它们可在由外部电压控制指定的方向发光.研究人员通过将向列型液晶/全光波导与随机激射相结合,解决了随机激光器的局限性问题.

掺染料分子以提供增益的液晶起着两种不同的作用.通过依赖对弱非共振连续波激光束的非线性响应,对孤子波导进行光诱导,这种行为称为向列相.当染料分子通过与它们共振的脉冲激光泵浦时,散射特性能为随机激射提供足够的反馈.

科学家们证明,向列相辅助随机激光器具有许多典型特征,例如激光的泵浦能量阈值和自发发射背景中出现的窄光谱峰值等.此外,孤子波导能收集产生的光并以平滑的空间结构将其引导至特定输出方向.

该研究得到了芬兰科学院以及坦佩雷理工大学的资助.

稀土掺杂氟化物 中红外激光晶体 研究获进展

中国科学院上海硅酸盐研究所研究员苏良碧课题组与山东师范大学/山东大学/哈尔滨工业大学等公司合作,基于"稀土发光离子局域格位结构设计'的思想,利用三价稀土离子在萤石型结构晶体CaF2／SrF2中自发富集形成离子团簇的特性,通过合理的掺杂机制提高激活离子间的相互作用效率,在低浓度掺杂的情况下实现了超越Stokes量子效率的高效率中红外波段激光输出.

～3 μm中红外激光由于具备处于大气窗口波段/对人眼安全/对大气分子敏感以及液态水分子强吸收等特性,在雷达/激光通信/环境监测以及高精度手术等领域具有重要的应用价值.

研究团队在Tm:CaF2晶体中引入调剂离子La3＋,合理设计晶体的组成和配比,显著提高了Tm3＋离子2μm波段发射截面和荧光寿命;采用792nm激光二极管做泵浦源,在Tm,La:CaF2晶体中实现了斜效率％(Stokes量子效率41％)/功率4.27 W的连续激光输出,激光波长调谐范围达190 nm(1850－2050 nm).

研究团队利用CaF2－SrF2混晶中阳离子格位无序的特点,合理设计混晶中Ca和Sr的比例,在4 at.％ Er:CaF2－SrF2晶体中实现了斜效率4％(Stokes量子效率35％)/功率712 mW的3μm波段连续激光输出,同时在调Q模式下获得了锁模激光脉宽1.78 ns/重频136.3 MHz的稳定脉冲激光输出.此外,采用980nm激光二极管做泵浦源,在3 at.％ Er:SrF2晶体中实现了斜效率41％/功率的3μm波段连续激光输出.

研究团队采用微米Tm光纤激光器做泵浦源,在0.5 at.％ Ho:CaF2晶体中获得了斜效率％/功率7.17 W的2μm波段连续激光输出.并且,利用声光调Q技术,实现了脉宽54 ns/单脉冲能量/重复频率3kHz的脉冲激光输出,平均输出功率,斜效率为％.

该研究工作有效避免了在其他类型激光晶体材料中因高浓度掺杂存在的一系列不利影响,从而获得了高效率的中红外波动激光输出.相关研究成果发表在Photonics Research, Optics Letters, Optics Express系列学术期刊上.

飞秒激光诱导形状记忆聚合物 自生长研究获进展

中国科学技术大学工程科学学院微纳米工程实验室在飞秒激光诱导材料加工方面取得新突破.

该院与新加坡国立大学合作,利用飞秒激光在形状记忆聚合物表面制备可重构结构,发现了新的"聚合物自生长'效应,并利用该效应制备了多样化的可重构功能微结构.

据了解,本项工作介绍了在预拉伸形状记忆聚合物表面通过飞秒激光扫描以实现微尺度/局部可重构结构的"自生长'方式.

通过控制激光局部加热和烧蚀,发现微结构可以从表面生长出来,并且采用非对称激光扫描策略可以进一步调控所得结构.通过将灵活/可编程激光加工技术与智能形状记忆聚合物相结合,展示了一种卓越的可重构结构制备范例.

相关成果以"Localized Self－Growth of Reconfigurable Architectures Induced by a Femtosecond Laser on a Shape－Memory Polymer'为题,已发表在<先进材料>上(Adv． Mater． 2018, 201803072).

西安研制出系列化超快激光极端制造装备

据悉,西安中科微精光子制造科技有限机构研制出系列化超快激光极端制造装备,实现了航空发动机涡轮叶片气膜孔的超精细"冷加工'的突破,填补了国内空白.

航空发动机制造水平代表着一个国家的科技/工业和国防实力.然而,我国现有加工手段容易导致航空发动机关重件出现各种制造缺陷,严重影响了新一代航空发动机的研制和生产.

航空发动机叶片表面有着很多的小孔,这些小孔叫做气膜冷却孔,以解决航空发动机在超高温(1700℃)及超高压等苛刻条件下冷却问题.中科微精科技发展部经理朱建海介绍,"我们通过超快激光微加工技术突破了传统制造方法加工叶片气膜孔存在的重铸层/微裂纹/再结晶等缺陷.'

飞秒激光热量不传导,不损伤材料,能量来不及释放该脉冲已经结束,避免了能量的转移,转化热量的存在和热扩散,实现了真正意义上的激光"冷'加工.所以叫做"冷加工'.通过各种光学镜让一束激光在"运动'中完成精准地打孔.

相比于电火花/长脉冲等加工方法,飞秒激光加工不改变材料结构/不产生相变/表面完整性好,已成为航空/航天/电子等领域超精细低损伤的最佳选择.

锑化物高功率半导体激光器 研究取得进展

锑化物半导体激光具有体积小/效率高/电驱动直接发光等优点,可实现1．8μm－4μm的中红外波段激光输出,在红外光电技术/化学气体及危险品监测等领域具有重要应用前景,并可作为中红外光纤激光器的种子源和同带泵浦光源,是中红外激光技术领域的前沿研究热点,

但是由于锑化物半导体材料较低的热导率和高空穴迁移率导致的侧向载流子泄露,使得锑化物半导体激光器效率低/光束质量差/温度稳定性差.

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员佟存柱团队与中国科学院半导体研究所研究员牛智川团队合作,提出了锑化物微脊宽区波导结构,有效抑制了载流子侧向泄露和累积,将1．96μm波长的锑化物激光器最高能量转换效率由9．8％提高到30．5％,连续输出功率超过了1．28W,侧向光束质量改善了36％,阈值/温度特性和电流对远场的影响都得到明显改善,该研究为高亮度锑化物半导体激光器的实现提供了一种可行的技术方案.

飞秒激光加工 三维非线性光子晶体 研究获进展

光子晶体是近些年发展起来的一个新兴领域,制备并研究非线性极化率周期变化的非线性光子晶体成为目前研究的热点,用非线性光子晶体拓展光学领域/制作光学器件是非线性光子晶体研究的重要方向.

中国科学院材料力学行为和设计重点实验室吴东教授课题组与南京大学固体微结构国家重点实验室张勇/肖敏课题组以及胡小鹏/祝世宁课题组合作,利用飞秒激光电畴擦除技术首次成功制备出三维非线性光子晶体,并实现了三维准相位匹配的激光倍频.

在早期的研究中,南京大学研究组采用晶体生长条纹技术和室温极化技术成功研制出了一维/二维非线性光子晶体,并展示了其在非线性光束整形/光量子信息处理等方面许多新的应用.

在此基础上,研究人员也期待着能研制出三维非线性光子晶体,从中揭示更多的新奇效应.然而,传统制备技术,包括晶体生长技术/室温电场极化技术等,都难以在晶体内部实现三维电畴结构的排列.

制备三维非线性光子晶体成为近二十年非线性光学领域令人困惑的难题之一,飞秒激光的出现解决了这一难题.得益于极短的脉宽,飞秒激光很容易产生极高的峰值功率,从而使光与物质发生多光子吸收或隧穿电离等非线性作用,使其可以深入透明介质内部,以超越光学衍射极限的精度对材料进行三维微加工.

中国科学技术大学与南京大学的研究团队合作发展出一种全新的电畴控制技术:利用聚焦飞秒激光在铌酸锂晶体内部实现铁电畴(二阶非线性光学系数)的定点擦除,实现了二阶非线性光学系数在三维空间的调制.在制备结构的过程中,吴东教授团队提出了不同层能量补偿加工技术,保证了三维结构的整体均一性.

经过两年多时间的摸索,在铌酸锂晶体中成功制备出了四方结构的三维非线性光子晶体,光子晶体的三维周期结构参数为3 μm (x) × 3 μm (y) × 11 μm (z).南大研究团队在后续实验上成功观察到了预期的三维准相位匹配倍频效应,100 μm光程的共线倍频转换效率达到了10＾－4, 该值与理论估算相一致.

三维非线性光子晶体研制成功为研究三维空间的非线性光学和量子光学研究提供了一种新材料, 也为三维微纳光子器件的发展提供了支撑.

纳米激光探针研究获得重要进展

南京大学化学化工学院陈洪渊院士团队在基于等离子体激光体系的发光探针方面取得重要进展.

现代生命科学和医学的高度发达,很大程度上依赖于发光探针的先进性及其发展.过去几十年,人类创造出一系列的发光物质,并得以在基础研究/医学诊断及化学工业等多个层面广泛应用.这些发光探针包括:有机荧光染料/半导体量子点/荧光蛋白/上转换荧光材料/生物发光分子等等.

使用不同颜色的发光探针,可观测生物体系中多种生物分子的协同行为,或同时分析多种特征的疾病标志物.上述发光探针的发光行为都是基于自发辐射,具有较宽的发射光谱分布.这种宽谱的发光特征,从物性限制了同时标记和检测的发光探针的种类不过4－5种.如能从物性根源上改变发光探针的发光行为,使其发光呈现出类似激光的单色性,有望大大拓展生命分析的容许通道数.

然而,二能级等离子激光体系离实际生物应用还有较大的距离.要在纳米尺度内实现光的受激辐射放大,必须对增益介质和谐振腔内的电子跃迁和能量转移实施精准的设计和调控,以降低激射阈值/延长激射时间,满足实际生物应用的要求.

在激光基础理论的启发下,研究团队通过设计增益介质的电子能级,利用电子的三重激发态跃迁,第一次在实验上构建了三能级的等离子体激光探针.

受益于三重激发态的长寿命以及自旋禁阻的量子规则,实现了～3 nm的激射线宽/～102 μs的发光寿命以及低至1 mJ cm-2的激射阈值(较之前降低了2个数量级),已能与常规生物检测仪器(如共聚焦显微镜/流式细胞仪)相兼容.该探针设计理念的建立,为下一代新型发光探针的设计/开发和应用具有重要指导意义.

美国研制出 可直接调制的硅上量子点 微型激光器

美国工程院院士/加州大学圣芭芭拉分校John Bowers教授带领的光电研究团队研发出可直接调制的硅上量子点微型激光器.

据悉,该激光器通过外延生长,集成在与CMOS工艺兼容的硅晶圆上.利用量子点特有的衬底缺陷影响/侧壁非辐射复合影响被减小的优异性能,并通过缓冲层的优化以减少III－V族材料与硅晶圆界面的位错密度,该课题组在存在着反向畴/晶格失配和热膨胀系数不同等巨大差异的异质生长材料体系上实现了优异的激光器性能:1．3 μm通讯波段的单模激射/同时兼具103K特征温度的高温工作环境稳定性及3mA的低阈值电流/6．5 GHz的3 dB带宽.

利用量子点具备的侧壁非辐射复合影响被减小的优异性能,该研究基于将微环谐振腔与量子点相结合的新型激光器构架的设想,在硅上外延生长小型电抽运量子点激光器,并通过复杂的工艺流程有效解决了电极金属化受到微型尺寸腔限制的问题/回音壁模式(WGM)在工艺过程中的缺陷引发的光学损耗问题.

美国集成光子制造创新中心副主任John Bowers教授表示,该项工作对在硅衬底上直接生长III－V元素的外延工艺向替代传统的晶圆接合工艺的发展迈出了重要一步,有望实现大规模制造的同时降低成本,缩小尺寸,减小功耗.

科学家利用激光 制成钠离子电池理想阳极材料

阿卜杜拉国王科技大学(以下简称KAUST)的研究团队找到了一种制造"无序'石墨烯的方式,它能改进钠离子电池的配方.

通常用于锂离子电池的阳极材料石墨很便宜,但它很难抓住比锂离子大的钠离子.过去,科学家通过碳化橡树叶或在阳极填充皱巴巴的石墨烯球来解决这个问题.要得到这种叫做硬碳的无序石墨,必须要让温度达到1000摄氏度.对此,研究人员想出了一个更加简单的办法——利用激光创建无序石墨烯.

KAUST的研究人员在铜箔上涂上一层由聚酰亚胺和尿素组成的聚合物,然后用强激光将其"碳化'进而使其变成石墨烯.在这个过程中,研究人员还使用了氮气.通过13％左右的氮气,最终得到了更具导电能力/原子间距扩大并能直接与铜基结合的3D石墨烯.

实验,当将这种材料用作钠离子电池的阳极时,设备的电池效率比使用碳基阳极要更高/容量也更大.

激光等离子体气泡机理 研究获进展

北京航空航天大学机械学院王玉亮副教授与荷兰特温特大学Detlef Lohse院士等人在激光等离子体气泡机理研究方面取得重要进展.

王玉亮副教授以先进微纳测量技术研究为基础,在细胞层面开展了疾病诊断等方面的研究工作,探索基于等离子体效应的细胞疗法.

一直以来,基于连续激光的等离子体气泡的研究主要集中在毫秒－＞秒的时间尺度上.在前期研究中,研究团队揭示了这一常规等离子体气泡的动态生长机理.

以此为基础,结合等离子体效应的原理以及材料的热传导特性,研究团队进一步推测,在更短的时间尺度上,将存在更加剧烈的等离子体气泡动态演变过程.

研究团队采用帧频高达25MHz的超高速相机,以纳秒级的测量分辨率,首次发现在激光照射后很短时间内,金纳米粒子修饰的材料表面会快速生成大尺寸的等离子体微气泡.不论在形貌上还是在动态特性上,这个气泡有别于通常在毫秒以上时间尺度上所观测的等离子体气泡,研究团队称之为初始等离子体气泡.

初始等离子体气泡生长速度是之前所能观测到的等离子体气泡的2000倍,同时,其生长周期很短,在大约几十微秒后便收缩消失.研究团队进一步建立了基于热扩散和液体亚稳相分解的模型,系统的揭示了初始等离子体气泡的生成机理.

 

初始等离子体气泡动态生长及收缩消逝过程

这一成果同时揭示了在连续激光照射下,在纳秒到秒的时间跨度上,等离子体气泡完整的演变过程.该研究所揭示的初始等离子体气泡的超级动态特性,为等离子体气泡的控制以及应用奠定了基础.

 

激光照射下材料表面等离子体气泡演变的四个阶段

相关研究成果已发表在<美国科学院院刊>上.

固体板条激光器光束净化 研究取得进展

中国科学院光电技术研究所自适应光学重点实验室研究员许冰团队长期致力于基于自适应光学技术的固体板条激光器光束净化研究.

固体激光有体积小/重量轻/寿命长/效率高等诸多优点,广泛应用于工业/医疗/科研等领域.传统的圆棒激光器在高功率泵浦下存在严重的热致双折射效应和热透镜效应,难以同时获得高平均功率和高光束质量.

为解决这一难题,1969年Martin等人提出了板条激光器的概念,显著改善了散热性能,但是增益介质热效应等因素仍然会引起光束波前畸变,降低了光束质量.怎样同时获得高平均功率和高光束质量始终是固体板条激光发展中面临的重大问题.

由于固体板条激光器具有特殊的结构形式与工作方法,与常规自适应光学系统相比,固体板条激光器的自适应光学系统需解决大长宽比光束大幅值低阶像差预补偿/波前斜率局部异常处理以及高灵活性波前处理等特有问题.

许冰团队突破了低阶像差补偿器/加权优化波前复原方式以及通用波前处理机等关键技术,实现了1．64倍衍射极限的优异光束质量.基于上述技术研制了二十余套自适应光学系统,已服务于国内多家单位研制的固体板条激光系统中,获得了良好的效果,保障了上述激光系统的光束质量.

中国科学院上海光机所 脉冲拉曼光纤激光器 研究获进展

上海光机所冯衍研究员课题组,在脉冲拉曼光纤激光器研究中取得系列进展.

课题组采用放大自发辐射源作为泵浦,实现了超稳定的锁模拉曼光纤激光输出;采用脉冲激光泵浦,实现了超快随机分布式反馈拉曼光纤激光输出;基于脉冲泵浦窄线宽拉曼光纤放大器,研制成功拉莫尔重频的589nm脉冲黄光激光器,提高钠导星亮度.

以光纤中受激拉曼散射效应作为增益机制的拉曼光纤激光器,其首要优势是波长灵活性.近年来,拉曼光纤激光器研究发展迅速,波长范围逐步扩大,输出功率可达数千瓦.若能获得高性能的脉冲拉曼光纤激光器,可进一步拓展其应用范围.

连续波泵浦的锁模拉曼光纤激光器效率/稳定性等性能远低于相应的稀土掺杂光纤激光器.作为一种非线性增益的激光器,泵浦激光器由纵模拍频等引起的时域起伏,会直接传递至激光,从而破坏拉曼光纤激光器的稳定性.

课题组提出采用时域更为稳定的放大自发辐射源作为泵浦,在1．1mm波段实现了脉宽为1ps的稳定拉曼耗散孤子输出,射频谱信噪比达85dB.该研究成果发表于［Opt．Lett．42,5162(2017)］.

脉冲泵浦是产生超短脉冲拉曼光纤激光的有效手段,但是脉冲泵浦需要实时反馈控制以实现泵浦脉冲与腔内激光脉冲的同步,否则将在拉曼脉冲输出中引入额外的噪声.

基于此,课题组研究提出一种自同步泵浦机制.该机制利用光纤中的分布式瑞利散射反馈实现激光腔长与泵浦脉冲间隔的自匹配,实现了皮秒随机分布式反馈拉曼光纤激光输出.利用该脉冲泵浦的光纤激光结构,直接表征了随机分布式反馈,并首次对随机激光与放大自发辐射进行了详细的比较研究.该研究成果发表于［Laser Photon．Rev．12, 1700326(2018)］

拉曼光纤激光技术可用于产生天文自适应光学系统中需要的589nm钠导星激光器.为克服地磁场对钠导星亮度的影响,需要重频约250－500kHz(拉莫尔重频,依赖于当地地磁场强度),占空比约20％的脉冲窄线宽589nm激光.

课题组利用脉冲1120nm激光泵浦的窄线宽拉曼光纤放大器,获得了所需脉冲体制的1178nm激光,经过外腔谐振倍频,获得了17W的拉莫尔重频589nm钠导星激光,并成功研制了样机.

该研究成果发表于［Opt． Lett． 42, 4351－4354 (2017)］.由于该激光器在远程磁场探测上的潜在应用,<激光聚焦世界>(Laser Focus World)以"Sodium guide star at Larmor frequency extends geomagnetic studies'为题进行了报导(2018年1月期).

科学家从激光束中减去单个量子光

在奥尔赫斯大学和南丹麦大学的合作中,研究人员发现了一种从激光束中减去单个量子光的方式.

这项工作最近发表在<物理评论快报>上.该方式为未来的量子通信和计算技术应用奠定了基础.光是由微小的不可分割的能量包组成的,也就是所谓的光子.光子的一个定义性质是它们是不相互作用的,只是简单地相互传递,完全不受影响.在量子通信的背景下,这是一个非常有用的特性,因为它最终能够在非常大的距离上实现低损耗的光学编码数据传输.

 

然而,许多新兴的量子信息处理思想将极大地受益于使两个光子相互作用的能力,从而影响到另一个光子的传播或状态.近年来,超旧的原子气体被证明是操纵光的理想介质.

例如使用一种被称为电磁诱导透明的技术,研究人员可以极大地改变光传播的速度,使光速度减慢到惊人的慢速几米每秒.更重要的是,光可以通过将光子转换成介质中的原子激发而停止.通过逆转这个过程,并将激发态映射回光子,这一过程实现了光子量子存储器,光子可以根据需要暂时存储和获取

欧登塞的实验团队和来自奥尔豪斯大学的团队以及来自马里兰大学联合量子研究所的合作伙伴一起,实现了这样一种光子记忆,但有一种特殊形式的原子气体,其中的组成原子具有很强的相互作用.

这有效地使光子在量子存储器中相互探测,从而使研究人员能够在一个非线性的水平上操纵光.利用这一想法,小组设计并演示了一种新颖的方式,利用另一束光从光束中减去单个光子.一般的想法是先存储一个光场,然后再通过介质传送另一个光场.

在第二束光子中,光子探测到存储的光子,并以这样一种方法与它们进行交互,这样单个光子就会被标记,然后在检索时被丢弃.由于被剥夺了一个单一的光子,原来的光束被留在一个特殊的量子态中,它本身有许多科学和技术应用.

实际上,利用这种非线性量子存储器来操纵光子的基本思想对量子信息科学中的许多应用都是有希望的.在这种能力变得完全实用之前,还需要进行更多的研究,但演示的光子子拖拉机是基于相互作用的光子的量子技术的一个重要里程碑.

以上就是小编为各位整理的相关研究成果,每一项研究都离不开辛勤的努力!

链接: < 别把学习光学设计的好时光,浪费在犹豫不决之间>

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