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：

中国科学家研发出全球最薄光学晶体：转角菱方氮化硼

中国科学家研发出全球最薄光学晶体：转角菱方氮化硼 这是世界上已知最薄的光学晶体，能效相较于传统晶体提升了100至1万倍，为新一代激光技术奠定理论和材料基础。光学晶体可实现频率转换、参量放大、信号调制等功能，是激光技术的“心脏”，而激光技术是我们当前科技文明的基石，在微纳加工、量子光源、生物监测等领域大放光彩。据悉，集成化、微型化、多功能化是未来激光器的发展方向，但传统光学晶体很难在有限厚度内高效产出激光，因此制备更轻薄的光学晶体成为各国科学家竞相研发的焦点。“转角菱方氮化硼”的研发将极大地推动我国新一代集成化激光技术的发展，未来有望在光刻机等微纳加工设备上带来激光技术的新突破。目前，研究团队已与国内激光器公司合作，并成功研发了新一代的全光纤激光器，同时与用户单位合作，推进该技术在光学芯片、量子技术、航空航天特种用途等领域的研发应用。 ... PC版： 手机版：

平凡的水在激光技术的发展中展现出惊人的力量

平凡的水在激光技术的发展中展现出惊人的力量 华南理工大学洪丽红团队的实验照片显示，强烈的白光激光投射出一道绚丽的彩虹。图片来源：华南理工大学 L. Hong 等人。然而，这种追求面临着挑战，尤其是在选择合适的非线性介质方面。传统的固体材料虽然效率高，但在高功率峰值条件下容易造成光损伤。气体介质虽然不易损坏，但普遍存在效率低和技术复杂的问题。华南理工大学的研究人员最近采取了一项非常规举措，将水作为一种非线性介质。水资源丰富，价格低廉，即使在高功率激光的作用下，也不会对光学造成破坏。正如开放获取期刊《先进光子学》（Advanced Photonics Nexus）所报道的那样，水引起的光谱展宽涉及增强的自相位调制和受激拉曼散射，从而产生了一种超连续白光激光器，其435纳米的10分贝带宽覆盖了令人印象深刻的478-913纳米范围。在进一步创新的过程中，研究人员将水与啁啾周期极化铌酸锂晶体 （CPPLN）晶体结合起来，这种晶体以其强大的二阶非线性功率而著称。这种合作不仅扩大了超连续白光激光器的频率范围，还使其输出光谱更加平坦。据通讯作者李志远教授介绍："级联水-CPPLN模块为实现脉冲能量强、光谱平坦度高、带宽超宽的'三高'白光激光器提供了一条长寿命、高稳定、低成本的技术路线。"这项水-CPPLN 合作项目的产出前景广阔。这种超宽带超连续光源的脉冲能量为 0.6 mJ，10 dB 带宽超过一个倍频程（413-907 nm），在超快光谱学和超光谱成像方面具有潜力。李志远指出："它能在极端光谱带宽上以高信噪比提供物理、化学和生物过程的高分辨率。它为制造具有强脉冲能量、高光谱平整度和超宽带宽的长寿命、高稳定性和廉价白激光器开辟了一条有效途径，为科学研究和应用的新可能性铺平了道路"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发明新型半导体激发技术

科学家发明新型半导体激发技术 横滨国立大学的科学家和加州理工学院的同事利用高强度、宽频带的超快太赫兹脉冲，在一种二维半导体材料中实现了原子激发，推动了电子设备的发展。他们的论文于 3 月 19 日发表在《应用物理通讯》（Applied Physics Letters）杂志上，并作为编辑推荐文章。二维（2D）材料或片状纳米材料因其独特的电子特性而成为未来半导体应用的理想平台。过渡金属二掺杂物（TMDs）是二维材料中的一个重要类别，由夹在掺杂物原子层之间的过渡金属原子层组成。这些原子以晶格结构排列，可以围绕其平衡位置振动或振荡这种集体激发被称为相干声子，在决定和控制材料特性方面起着至关重要的作用。声波诱导技术的创新传统上，相干声子由可见光和近红外区域的超短脉冲激光器诱导。使用其他光源的方法仍然有限。横滨国立大学工程科学研究生院助理教授、该研究的第一作者 Satoshi Kusaba 说："我们的研究解决了超快太赫兹频率激光器（或低能光子）如何在 TMD 材料中诱导相干声子这一基本问题。"WSe2 中声子的超快宽带太赫兹激发和偏振旋转探测示意图。获得的结果（右下）包括通过和频过程激发的相干声子振荡信号（右上）。资料来源：Satoshi Kusaba / 横滨国立大学太赫兹辐射是指频率在太赫兹范围内的电磁波，介于微波和红外频率之间。研究小组制备了超快宽带太赫兹脉冲，以诱导一种名为WSe2 的 TMD 薄膜中的相干声子动力学。为检测光学各向异性（换句话说，即光在穿过材料时的表现），研究人员安排了一套精确而灵敏的装置。研究人员研究了超短激光脉冲与材料相互作用时电场方向的变化；这些变化被称为偏振旋转。通过仔细观察微小的诱导光学各向异性，研究小组成功地探测到了太赫兹脉冲诱导的声子信号。"我们的研究最重要的发现是，太赫兹激发可以通过一个独特的和频激发过程在TMD中诱导相干声子，"研究时的加州理工学院博士生、本研究的共同第一作者Haw-Wei Lin说。"这种机制与共振和线性吸收过程有着本质区别，它涉及两个太赫兹光子的能量总和与声子模式的能量总和相匹配"。由于通过这种和频过程可以激发的声子模式的对称性完全不同于更典型的共振线性过程，因此本研究中成功使用的激发过程对于完全控制材料中的原子运动非常重要。这项研究成果的意义超出了基础研究的范畴，有望在现实世界中得到广泛应用。"通过和频激发过程，我们可以利用太赫兹激发相干地控制二维原子位置，"Kusaba说。"这可能为控制 TMD 的电子状态打开大门，这对于开发谷电技术和使用 TMD 的电子设备，实现低功耗、高速计算和专用光源，是大有可为的"。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：

科学家利用先进的计时芯片将精度提升到新水平

科学家利用先进的计时芯片将精度提升到新水平 NIST 研究人员在测试一种将光转换成微波信号的芯片。图为芯片，它是一个荧光面板，看起来像两张小黑胶唱片。芯片左侧的金色方框是向芯片发射光线的半导体激光器。图片来源：K. Palubicki/NIST这种技术可以减少所谓的定时抖动，即微波信号在定时上的微小随机变化。就像音乐家在音乐中努力保持稳定的节拍一样，这些信号的定时有时也会出现一些波动。研究人员已将这些定时抖动减少到极小的几分之一秒确切地说是15飞秒，比传统微波源有了很大改进使信号更加稳定和精确，从而可以提高雷达的灵敏度、模数转换器的精确度以及天文望远镜群捕捉到的天文图像的清晰度。研究小组的研究成果发表在《自然》杂志上。这次演示的与众不同之处在于产生这些信号的元件设计紧凑。研究人员首次将曾经是桌面大小的系统，缩小到与数码相机存储卡差不多大小的紧凑型芯片中。在小规模上减少定时抖动可降低功耗，使其更适用于日常设备。目前，这项技术的几个组件位于芯片外部，研究人员正在测试它们的有效性。该项目的最终目标是将激光器、调制器、探测器和光放大器等所有不同部件集成到一个芯片上。通过将所有组件集成到一个芯片上，该团队可以减小系统的尺寸和功耗。这意味着它可以很容易地集成到小型设备中，而不需要大量能源和专门培训。NIST物理科学家弗兰克-昆兰（Frank Quinlan）说："目前的技术需要几个实验室和许多博士才能实现微波信号。这项研究的很多内容都是关于我们如何通过缩小元件尺寸来利用光信号的优势，并使一切都更容易获得。"为了实现这一目标，研究人员使用了一种半导体激光器，它就像一个非常稳定的手电筒。他们将激光器发出的光射入一个被称为参考腔的微型镜箱中，参考腔就像一个微型房间，光在里面跳来跳去。在这个空腔内，一些光的频率与空腔的大小相匹配，这样光波的波峰和波谷就能完全贴合腔壁。这使得光在这些频率上积累功率，用于保持激光频率的稳定。然后，稳定的光通过一种名为"梳频器"的装置转换成微波，这种装置能将高频光转换成低频微波信号。这些精确的微波对导航系统、通信网络和雷达等技术至关重要，因为它们能提供精确的定时和同步。昆兰说："我们的目标是让所有这些部件在一个平台上有效地协同工作，这将大大减少信号的损失，并消除对额外技术的需求。"这个项目的第一阶段是展示所有这些单个部件的协同工作。第二阶段是将它们整合到芯片上。在 GPS 等导航系统中，信号的精确定时对于确定位置至关重要。在通信网络（如移动电话和互联网系统）中，多个信号的精确定时和同步可确保数据的正确传输和接收。例如，同步信号对于繁忙的蜂窝网络处理多个电话呼叫非常重要。信号在时间上的精确对齐使蜂窝网络能够组织和管理来自多个设备（如您的手机）的数据传输和接收。这可确保多个电话同时通过网络传输，而不会出现严重的延迟或掉线。在用于探测飞机和天气模式等物体的雷达中，精确计时对于准确测量信号反弹所需的时间至关重要。"这项技术有各种各样的应用。例如，对黑洞等遥远天体进行成像的天文学家需要真正的低噪声信号和时钟同步，"昆兰说。"这个项目有助于让这些低噪声信号走出实验室，进入雷达技术人员、天文学家、环境科学家以及所有这些不同领域的人的手中，提高他们测量新事物的灵敏度和能力。"创造这种技术进步并不是单独完成的。来自科罗拉多大学博尔德分校、美国国家航空航天局喷气推进实验室、加州理工学院、加州大学圣巴巴拉分校、弗吉尼亚大学和耶鲁大学的研究人员齐心协力，共同完成了这一共同目标：彻底改变我们利用光和微波进行实际应用的方式。"我喜欢把我们的研究比作一个建筑项目。这里有很多活动部件，你需要确保每个人都协调一致，这样水管工和电工才能在项目的正确时间出现，"昆兰说。"我们大家合作得非常好，保证了项目的顺利进行。这种合作努力凸显了跨学科研究在推动技术进步方面的重要性。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：