光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号 盖塔实验室开发的光子集成芯片的高级示意图，该芯片用于全光学光分频（OFD）一种将高频信号转换为低频信号的方法。图片来源：Yun Zhao/哥伦比亚工程学院这种芯片非常小巧，可以装在锋利的铅笔尖上，是迄今为止在集成光子平台上观察到的最低微波噪声。这项成果为高速通信、原子钟和自动驾驶汽车等应用提供了一条通往小尺寸超低噪声微波发生器的光明之路。用于全球导航、无线通信、雷达和精密计时的电子设备需要稳定的微波源作为时钟和信息载体。要提高这些设备的性能，关键在于减少微波中存在的噪声或相位随机波动。"在过去的十年中，一种被称为光分频的技术产生了迄今为止噪音最低的微波信号，"哥伦比亚工程学院应用物理和材料科学大卫-M-里基教授兼电气工程教授亚历山大-盖塔说。"通常情况下，这样的系统需要多个激光器和相对较大的体积来容纳所有元件。"光分频一种将高频信号转换为低频信号的方法是最近产生微波的创新技术，其中的噪声已被大大抑制。然而，由于光分频系统占用桌面空间较大，因此无法用于微型传感和通信应用，而这些应用需要更紧凑的微波源，因此光分频系统已被广泛采用。盖塔说："我们已经实现了一种设备，只需使用单个激光器，就能在面积小至 1 平方毫米的芯片上完全实现光分频。我们首次展示了无需电子设备的光学分频过程，大大简化了设备设计。"量子和非线性光子学：创新的核心盖塔的研究小组专门研究量子和非线性光子学，即激光如何与物质相互作用。研究的重点领域包括非线性纳米光子学、频率梳生成、强超快脉冲相互作用以及光量子态的生成和处理。在目前的研究中，他的研究小组设计并制造了一种片上全光学器件，该器件能产生 16 GHz 的微波信号，其频率噪声是迄今在集成芯片平台上实现的最低频率噪声。该设备使用两个由氮化硅制成的微谐振器，通过光子耦合在一起。单频激光器泵浦两个微谐振器。其中一个用于产生光参量振荡器，将输入波转换成两个输出波一个频率较高，一个频率较低。两个新频率的频率间隔被调整为太赫兹频率。由于振荡器的量子相关性，这种频率差异的噪声可比输入激光波的噪声小数千倍。第二个微谐振器经调整后可产生具有微波间隔的光频梳。然后，振荡器发出的少量光被耦合到梳状频率发生器，从而使微波梳状频率与太赫兹振荡器同步，自动实现光分频。潜在影响和未来应用盖塔研究小组的工作代表了一种在小型、坚固和高度便携的封装内进行光学分频的简单而有效的方法。这些研究成果为芯片级设备打开了大门，这些设备能够产生稳定、纯净的微波信号，可与进行精密测量的实验室产生的信号相媲美。他说："最终，这种全光分频将带来未来电信设备的新设计。它还能提高用于自动驾驶汽车的微波雷达的精度。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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：

科学家发现防止我们迷路的大脑活动模式

科学家发现防止我们迷路的大脑活动模式 这项研究确定了大脑中精细调整的头部方向信号。这些结果与在啮齿类动物身上发现的神经密码相当，对理解帕金森症和阿尔茨海默氏症等疾病具有重要意义。测量人在运动时的神经活动具有挑战性，因为现有的大多数技术都要求参与者尽可能保持静止。在这项研究中，研究人员利用移动脑电图设备和动作捕捉克服了这一难题。第一作者本杰明-J-格里菲斯博士说："掌握前进方向非常重要。在估计自己的位置和方向时，即使是很小的错误也会带来灾难性的后果。我们知道，鸟类、大鼠和蝙蝠等动物的神经回路可以让它们保持方向，但我们对人类大脑在现实世界中如何管理这一点却知之甚少，令人惊讶。"一组 52 名健康参与者参加了一系列运动跟踪实验，同时通过头皮脑电图记录了他们的大脑活动。通过这些实验，研究人员可以监测参与者在根据不同电脑显示器上的提示移动头部以确定方向时发出的大脑信号。在另一项研究中，研究人员监测了 10 名参与者的信号，这些人已经因癫痫等疾病接受了颅内电极监测。所有任务都会促使参与者移动头部，有时甚至只移动眼睛，脑电图帽和颅内脑电图（iEEG）记录了这些动作产生的大脑信号，前者用于测量来自头皮的信号，后者用于记录来自海马体和邻近区域的数据。在考虑了肌肉运动或参与者在环境中的位置等因素对脑电图记录造成的"混淆"后，研究人员能够显示出一种微调的方向信号，这种信号可以在参与者头部方向发生物理变化之前被检测到。格里菲斯博士补充说："分离这些信号使我们能够真正关注大脑如何处理导航信息，以及这些信号如何与视觉地标等其他线索一起发挥作用。我们的方法为探索这些特征开辟了新的途径，对神经退行性疾病的研究，甚至对改进机器人和人工智能中的导航技术都有意义"。在今后的工作中，研究人员计划将他们的学习成果应用于研究大脑如何在时间中导航，以找出类似的神经元活动是否对记忆起作用。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：