科学家利用LBO晶体研制出最强大的紫外激光器

科学家利用LBO晶体研制出最强大的紫外激光器 DUV光谱中的激光器已经在科学技术中有许多应用，如缺陷检测、光谱学、光刻和计量学。传统上，氟化氩（ArF）激光器已被用于产生高功率193nm激光器，用于光刻等应用。DUV激光器的其他应用包括微电子设备的生产，半导体集成电路，以及用于进行眼科手术的医学。在这些应用中，它通常被称为准分子激光器。然而，这些激光器不是完全相干的，因此不能用于更敏感的应用，如干涉光刻，在这种应用中，精细的特征必须以阵列的形式印刷。如此精细的应用需要更加相干的激光器，这为研究人员制造混合准分子激光器提供了机会。什么是混合准分子激光器?为了达到相干性要求，科学家们一直在考虑用固态种子代替气体（ArF）振荡器，使其成为混合激光器。除了提高相干性外，该设计还旨在提高激光的光子能量，使其甚至可以与碳化合物一起使用，并且产生最小的热影响。为了实现这一目标，193nm种子激光器的线宽需要保持在4千兆赫以下。声明称，这是通过使用目前可用的固态激光技术看到的对干涉至关重要的相干长度。在DUV激光器上取得了什么成果?中国科学院的研究人员通过使用LBO晶体实现了与193纳米混合准分子激光器相同的线宽。在他们的装置中，研究人员使用了一种复杂的两阶段和频率产生过程来实现60毫瓦(60兆瓦)的激光输出。该装置包括两个激光器，一个是258纳米，另一个是1553纳米。这些激光器分别来自镱混合激光器和掺铒光纤激光器，最终形成2mm×2mm×30mm Yb: YAG体晶体，提供所需的激光输出。由此产生的DUV激光脉冲持续时间为4.6纳秒(ns)，重复频率为6千赫兹(kHz)，线宽约为640兆赫(MHz)。值得注意的是，193nm激光器及其伴随的221nm激光器的输出功率为60mW，这是使用LBO晶体产生的最高功率。221-193nm转换效率为27%，258 - 193nm转换效率为3%，也创下了新的基准。这一研究证明了“用固态激光器泵浦LBO的可行性，可以可靠有效地产生193nm的窄线宽激光，并为使用LBO制造成本效益高的大功率DUV激光系统开辟了一条新途径。”因此，研究人员相信，LBO晶体可以用于产生更多的DUV激光器，输出功率从几毫瓦到几瓦不等，为这些波长开辟了进一步的途径。这项研究结果发表在《高级光子联系》（Advanced Photonic Nexus）杂志上。 ... PC版： 手机版：

科学家开发出突破性微型光纤激光器 更锐利、更小巧、更智能

科学家开发出突破性微型光纤激光器 更锐利、更小巧、更智能 基于氮化硅光子集成电路的全封装混合集成铒激光器的光学图像，可提供光纤激光器相干性和以前无法实现的频率可调谐性。资料来源：Andrea Bancora 和 Yang Liu（洛桑联邦理工学院）光纤激光器使用掺杂稀土元素（铒、镱、钕等）的光纤作为光增益源（产生激光的部分）。光纤激光器能发出高质量的光束，输出功率高，效率高，维护成本低，经久耐用，而且体积通常比气体激光器小。光纤激光器也是低相位噪声的"黄金标准"，这意味着它们的光束可以长期保持稳定。尽管如此，人们对芯片级光纤激光器微型化的需求仍在不断增长。基于铒的光纤激光器尤其令人感兴趣，因为它们符合保持激光器高相干性和稳定性的所有要求。但是，要实现光纤激光器的微型化，就必须在小尺度上保持其性能。现在，EPFL的刘洋博士和 Tobias Kippenberg 教授领导的科学家们制造出了首台芯片集成的掺铒波导激光器，其性能接近光纤激光器，将宽波长可调谐性与芯片级光子集成的实用性相结合。这一突破发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）上。制造芯片级激光器研究人员采用最先进的制造工艺开发出了芯片级铒激光器。他们首先在超低损耗氮化硅光子集成电路的基础上构建了一个一米长的片上光腔（一组提供光反馈的反射镜）。刘博士说："尽管芯片尺寸小巧，但我们却能将激光腔设计成米级长度，这要归功于这些微oring谐振器的集成，它们能在不增大设备物理尺寸的情况下有效延长光路。"然后，研究小组在电路中植入高浓度铒离子，选择性地产生激光所需的有源增益介质。最后，他们将电路与 III-V 族半导体泵浦激光器集成，以激发铒离子，使其发光并产生激光束。基于掺铒光子集成电路的混合集成激光器的光学图像，该激光器具有光纤激光相干性和以前无法实现的频率可调谐性。资料来源：Yang Liu（洛桑联邦理工学院）为了完善激光器的性能并实现精确的波长控制，研究人员设计了一种创新的腔内设计，其特点是基于微孔的 Vernier 过滤器，这是一种可以选择特定光频的光学过滤器。滤波器可在很大范围内对激光波长进行动态调整，从而使其在各种应用中都能发挥作用。这种设计支持稳定的单模激光，其内在线宽仅为 50 Hz，非常窄，令人印象深刻。它还具有显著的边模抑制功能激光器能够以单一、稳定的频率发光，同时将其他频率（"边模"）的强度降至最低。这确保了高精度应用在整个光谱范围内的"干净"和稳定输出。这种芯片级铒光纤激光器的输出功率超过 10 mW，边模抑制比超过 70 dB，性能优于许多传统系统。它还具有非常窄的线宽，这意味着它发出的光非常纯净和稳定，这对于传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用非常重要。基于微光的 Vernier 滤波器使激光器在 C 波段和 L 波段（用于电信的波长范围）内具有 40 nm 的宽波长可调谐性，在调谐和低光谱尖刺指标（"尖刺"是不需要的频率）方面都超越了传统光纤激光器，同时与当前的半导体制造工艺保持兼容。将铒光纤激光器微型化并集成到芯片级设备中可降低其总体成本，使其可用于电信、医疗诊断和消费电子等领域的便携式高度集成系统。它还可以缩小光学技术在其他各种应用中的规模，如激光雷达、微波光子学、光频合成和自由空间通信。"这种新型掺铒集成激光器的应用领域几乎是无限的，"Liu 说。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

技术原理解读激光雷达安全性：对人眼安全吗？

技术原理解读激光雷达安全性：对人眼安全吗？ 1.你可能会问，激光雷达安全吗？然而，随着激光雷达技术的广泛应用，人们也开始对其是否安全产生一丝担忧。当我们提到“激光”这个词时，很多人可能会想到科幻电影中的高科技武器。而将“激光”与“雷达”结合在一起而形成“激光雷达”时，其产生的激光线束，会不会对我们的眼睛造成伤害呢？2.国际标准如何定义激光产品首先，我们来看下权威的国际电工委员会标准（IEC 60825-1：2014），对激光产品是如何定义的？激光器的危险等级被划分为四类：Class 1激光器无害，Class 4激光器具有高危险性，Class 2和3激光器分别具有低和中度危险性。车载激光雷达属于Class 1激光产品，其功率和辐射强度远低于对人体眼睛造成伤害的阈值。因此，在正常使用条件下，车载激光雷达不会对人眼构成威胁。或者说市面上能量产的车载激光雷达产品，都需要满足Class 1级别标准。“Class 1”就像是一张激光雷达的“身份证”，有了这张“身份证”，车载激光雷达才能算合格产品。3.技术原理解读激光雷达安全性再者，从技术原理来看下这个问题。人眼是否受到伤害，主要取决于激光发出的能量密度是否超过人眼可接受的阈值。能量密度：看的是“单脉冲的瞬时照射能量”和“持续长时间照射后的单位面积内的平均累积能量”。首先，单脉冲的瞬时能量，可以通过严格控制激光雷达的发射功率来保障，限制其不超出标准要求阈值；其次，当前市面上主流的车载激光雷达，都是扫描式雷达，以线扫雷达举例，每次发射一条激光线束，覆盖其中某一个位置，借助于转镜的转动，把激光束从左扫到右，从而覆盖一个120°的完整画幅，可以参考下图所示，这确保了激光雷达不会一直“盯”着你的眼睛照射，单位面积内的累积能量同样限定在阈值以内。非扫描式(上) vs 扫描式激光雷达(下)示意图再来看下人眼的生理构造，人眼主要包含角膜，晶状体和视网膜组成。当激光束进入人眼后，不同波长表现会有些许不同。市面上当前主流车载激光雷达主要在905nm波长的近红外光波段，少数激光雷达为1550nm的远红外光。当905nm的激光束进入人眼后，会被角膜和晶状体吸收大部分能量，小部分透射到视网膜上，而1550nm的激光束，几乎会被角膜和晶状体全部吸收，极少会到视网膜上，所以网上就有了1550nm激光雷达比905nm更安全的说法。但实际上，基于上文描述，激光雷达的能量只要控制在人眼可接受的阈值内都是安全的，不存在谁比谁更安全的说法。诚然1550nm比905nm在人眼安全的功率上限更高些，但如果1550nm的激光器的能量超过法规限制范围，那么它同样会损伤人眼的角膜和晶状体。同理，905nm如果能量超了，也会伤害视网膜。4.还有疑虑？再看看实验结果怎么说最后，再从国际标准测试下的数据来量化看下这个问题，如下测试实验装置中，接收孔径模拟人眼瞳孔，正常情况下，瞳孔直径为2.5~4mm，遇到强光会收缩，暗室环境瞳孔会放大到5~7mm，本测试采用7mm孔径模拟瞳孔张开能达到的极限场景（即最大通光量），测试距离也是采取最严苛的100mm~1m的距离范围内进行全量测试，随着距离的增加，激光束能量会快速衰减。100mm是人眼能聚焦的最短距离，再近就无法在视网膜成像。基于如上苛刻的测试场景评估，激光束进入人眼的效率只有1%左右，再被眼球中的水大量吸收，到达视网膜的能量，通常只有人眼损伤阈值的20%左右。值得一提的是，IEC60825-1标准也同时考虑了皮肤安全，经过实验测算，当前激光雷达的能量才到安全阈值的1%。所以，通过人眼安全Class 1严格认证的车载激光雷达产品，对人眼和皮肤都是没有危害的。5.多激光雷达环境的安全性问题最后，再探讨下多激光雷达环境的安全性问题。随着智能驾驶技术的不断进步，越来越多的车辆开始采用激光雷达来提高感知能力。有小伙伴开始担心，满大街的都是装激光雷达的车，是否以后门都不敢出了，这种多激光雷达环境是否会对人眼安全产生新的影响呢？目前来看，最恶劣的场景莫过于大路口并排多车等红绿灯，行人从斑马线穿过的场景，并排4~5车道已经是非常大的主干道，激光雷达的数量并不会无限增加，如上图示意。分析多激光雷达对人眼的影响，主要从三方面考虑：交叠区距离，汇聚概率，汇聚时长。1.交叠区距离：基于几何原理，多台激光雷达要形成交叠区，数量越多，交叠区离雷达的距离越远，从上图所示，4台激光雷达光束交叠区最近距离为行人所处位置，分别离4台激光雷达的距离为（6米，3.5米，3.5米，6米），能量随距离快速衰减，经过测算，距离到达6米后，到达视网膜的能量快速衰减到人眼损伤阈值的1%以内，路口二排三排的车几乎可以忽略不计，空间角度上就大幅抵消了多激光雷达的能量累积；2.汇聚概率：基于上文的原理分析，激光雷达采用的是扫描方式，要让多台激光雷达在同一时间汇聚到7mm孔径的瞳孔上的概率微乎其微，经过测算，这个概率是亿分之一的量级；3.汇聚时长：即使T1时刻，4台激光雷达非常凑巧汇聚到一点上了，T2时刻，随着激光雷达转过一定角度后，光束便无法再汇聚在瞳孔上，从时间角度避免能力累积。综上所述，不管单激光雷达，还是多激光雷达，其发射出的激光束在正常使用条件下，不会对人眼构成实质性的威胁。国际标准如IEC 60825-1的制定和执行，以及激光雷达制造商对产品安全的严格把控，都为人眼安全提供了坚实的保障。激光雷达作为智能驾驶的核心技术，正在发挥越来越大的作用。从网上视频可以看到，装载了激光雷达的高阶智能驾驶系统所提供的主动安全AEB制动能力，大幅降低突发的碰撞风险，正在避免一次又一次的交通事故。 ... PC版： 手机版：

经激光处理的软木被证明可有效、可持续地清理海洋溢油

经激光处理的软木被证明可有效、可持续地清理海洋溢油 在 AIP 出版社出版的《应用物理快报》（Applied Physics Letters）上，来自中南大学、华中科技大学和内盖夫本古里安大学的研究人员利用激光处理技术，将普通软木变成了处理漏油的有力工具。他们希望使用碳足迹较低的材料，创造出一种无毒、有效的油污清理解决方案，但他们决定尝试软木，却是因为一个惊人的发现。为了去除水中的油分，作者使用了经过快速脉冲激光法处理的软木，这种方法可以去除材料中的一些氧气，增加相对碳含量，使其更具斥水性和吸油性。激光处理还改变了软木的结构：从纳米层面看，软木材料上有很深的沟槽，这增加了软木的总表面积，使其能够捕捉阳光并温暖油脂，从而使油脂更容易收集。资料来源：何玉春"在另一项激光实验中，我们意外地发现，使用激光加工的软木的润湿性发生了显著变化，获得了超疏水（拒水）和超亲油（吸油）特性，"作者何玉春说。"在适当调整加工参数后，软木表面变得非常暗，这让我们意识到它可能是一种用于光热转换的极佳材料"。"结合这些结果和软木的环保、可回收优势，我们想到了用它来清理海洋溢油，"作者尹凯说。"据我们所知，还没有人尝试过用软木来清理海洋溢油"。这种软木源于栓皮栎树的树皮，这种树可以存活数百年。这些树木大约每七年就可以采伐一次，因此软木是一种可再生材料。去掉树皮后，树木会增强其生物活性，以取代树皮并增加其碳储量，因此收获软木有助于减少碳排放。作者测试了各种快速脉冲激光处理方法，以实现软木特性的最佳平衡，而且成本低廉。他们仔细研究了纳米结构的变化，并测量了材料中氧和碳的比例、水和油与表面接触角度的变化，以及材料对光谱中光波的吸收、反射和发射，以确定其在多次升温和冷却循环后的耐久性。通过这种激光加工，软木被赋予了光热特性，可以在阳光下迅速升温。深槽还增加了暴露在阳光下的表面积，因此软木在 10-15 秒内就能被一点阳光加热。这种能量可用于加热溢出的石油，降低其粘度，使其更容易收集。在实验中，经过激光处理的软木能在 2 分钟内从水中收集到油。激光处理不仅有助于更好地吸收油脂，还能有效阻挡水分进入。"软木经过快速脉冲激光处理后，其表面微观结构变得更加粗糙，"尹说。"这种微米级到纳米级的粗糙度增强了疏水性"。因此，软木可以收集油而不吸水，这样就可以从软木中提取油，甚至可以重复使用。"清理溢油是一项复杂而系统的工作，全生命周期参与采油是我们的目标。"何玉春说。"下一步，我们将以聚氨酯泡沫为骨架，制备吸附石油的电热材料，结合光热和电热技术，形成全天候采油系统。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

日本研究人员实现精确控制氮化镓基垂直腔面发射激光器的腔长

日本研究人员实现精确控制氮化镓基垂直腔面发射激光器的腔长 功率转换效率超过 20% 的氮化镓紫色表面发光激光器。资料来源：Tetsuya Takeuchi / 名城大学GaN-VCSEL 由两层被称为分布式布拉格反射镜 (DBR) 的特殊半导体反射镜组成，中间由有源 GaN 半导体层隔开，形成光谐振腔，激光就在其中产生。谐振腔的长度对于控制目标激光波长（即谐振波长）至关重要。迄今为止，已开发出两种基于氮化镓的 VCSEL 结构：一种是底部介质 DBR，另一种是底部氮化铝铟（AlInN）/氮化镓 DBR。这两种结构都能产生光输出功率超过 20 毫瓦、壁塞效率（WPE）超过 10%的 VSCEL。然而，AlInN/GaN DBR 的停止波长带宽较窄，因此 VCSEL 只能发射窄波长范围内的光。此外，传统的腔体长度控制方法需要对测试腔体层进行预实验，以确定其生长速度，这会导致 VCSEL 腔体的估计厚度和最终厚度之间存在误差。这种误差会导致共振波长超出 AlInN/GaN DBR 的窄停止带宽，从而严重影响性能。腔长控制的创新为了解决这个问题，在最近的一项研究中，日本名城大学材料科学与工程系教授竹内哲也领导的研究人员为基于氮化镓的 VCSEL 光腔开发了一种新的原位 腔长控制方法。通过利用原位反射率光谱测量精确控制氮化镓层的生长，研究人员实现了精确的腔长控制，与目标谐振波长的偏差仅为 0.5%。现在，他们进一步扩展了这一创新技术，并展示了完整 VSCEL 的腔长控制。竹内教授解释说："VCSEL 的腔体不仅包含氮化镓层，还包含氧化铟锡 (ITO) 电极和五氧化二铌 (Nb2O5) 间隔层，而这些都无法通过相同的原位反射率光谱测量系统进行控制。在这项研究中，我们开发了一种精确校准这些附加层厚度的技术，从而实现了高效的 VCSEL。"他们的研究成果发表在《应用物理通讯》（Applied Physics Letters）杂志第124卷第13期上。附加层的校准技术为了校准附加层的厚度，研究人员首先在使用原位空腔控制生长的 GaN 测试结构上沉积了不同厚度的 ITO 电极和Nb2O5间隔层。鉴于原位反射率测量无法用于这些附加层，他们直接使用原位反射率光谱测量来评估这些测试空腔结构的共振波长。获得的共振波长发生了红移，即随着 ITO 和Nb2O5层厚度的增加，波长也随之增加。接下来，研究人员绘制了共振波长偏移与 ITO 和Nb2O5层 厚度的函数关系图，从而获得了有关其光学厚度的准确信息。他们利用这些信息精确校准了目标 VCSEL 共振波长的 ITO 层和Nb2O5层厚度。这种方法产生的共振波长控制偏差非常小，在 3% 以内，在光学厚度方面可与现场控制方法相媲美。最后，研究人员通过在利用原位 腔体控制技术生长的 VCSEL 腔体中加入调谐 ITO 电极和Nb2O5间隔层，制造出了孔径大小为 5 至 20 µm 的 GaN-VCSEL。这些 VCSEL 的峰值发射波长与设计共振波长的偏差仅为 0.1%。值得注意的是，得益于精确的腔长控制，5 微米孔径的 VCSEL 实现了 21.1% 的 WPE，这是一项重大成就。竹内教授总结说："就像高精度的刻度尺可以制造精细的架子一样，精确地使用氮化镓层的原位厚度控制，结合ITO电极和Nb2O5间隔层的厚度校准，可以实现VCSEL的高度可控制造，是获得高性能和高可重复性的氮化镓基VCSEL的有力工具，可用于高效光电设备。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性

科学家利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性 加州大学圣迭戈分校的研究人员利用一种先进的光学技术进一步了解了一种名为Ta2NiSe5（TNS）的量子材料。他们的研究成果发表在《自然-材料》（Nature Materials）杂志上。材料可以通过不同的外部刺激受到扰动，通常是温度或压力的变化；然而，由于光是宇宙中速度最快的东西，材料对光刺激的反应非常快，从而揭示出原本隐藏的特性。通过改进技术，研究小组获得了更广泛的频率范围，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。资料来源：Sheikh Rubaiat Ul Haque / 斯坦福大学量子材料中的先进光学技术"从本质上讲，我们用激光照射一种材料，这就像定格摄影，我们可以逐步跟踪该材料的某种特性，"领导这项研究的物理学教授理查德-阿维特说，他也是论文的作者之一。"通过观察组成粒子如何在该系统中移动，我们可以找出这些以其他方式很难发现的特性。"该实验由第一作者谢赫-鲁巴亚特-乌尔-哈克（Sheikh Rubaiat Ul Haque）完成，他于2023年从加州大学圣地亚哥分校毕业，现在是斯坦福大学的一名博士后学者。他与阿弗里特实验室的另一名研究生张远一起改进了一种名为太赫兹时域光谱学的技术。这项技术允许科学家在一定频率范围内测量材料的特性，而哈克的改进使他们能够获得更广泛的频率范围。量子态和光放大这项工作基于论文的另一位作者、苏黎世联邦理工学院教授尤金-德姆勒（Eugene Demler）提出的理论。Demler 和他的研究生马里奥斯-迈克尔（Marios Michael）提出了这样一个观点：当某些量子材料被光激发时，它们可能会变成一种能放大太赫兹频率光的介质。这促使哈克及其同事仔细研究 TNS 的光学特性。当电子被光子激发到更高的层次时，会留下一个空穴。如果电子和空穴结合在一起，就会产生激子。激子还可能形成凝聚态当粒子聚集在一起并表现为单一实体时会出现的一种状态。在 Demler 理论的支持下，利用马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所 Angel Rubio 小组的密度泛函计算，研究小组得以观测到反常的太赫兹光放大现象，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。凝缩物是一种定义明确的量子态，使用这种光谱技术可以将它们的某些量子特性印刻到光上。这可能会对利用量子材料的纠缠光源（多个光源具有相互关联的特性）这一新兴领域产生影响。哈克说："我认为这是一个广阔的领域。Demler的理论可以应用于一系列具有非线性光学特性的其他材料。有了这项技术，我们就能发现以前从未探索过的新的光诱导现象。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：