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：

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：

科学家在突破性实验中展示了有效的聚变“火花塞”

科学家在突破性实验中展示了有效的聚变“火花塞” 罗切斯特大学激光能效实验室在进行直接驱动惯性聚变实验时从欧米茄靶室内部看到的景象。科学家们向装有氘和氚燃料的小胶囊发射了28千焦耳的激光能量，使胶囊发生内爆，产生足够热的等离子体，从而引发燃料核之间的聚变反应。内爆中心的温度高达 1 亿摄氏度（1.8 亿华氏度）。内爆的速度通常为每秒 500 到 600 公里（每小时 110 到 135 万英里）。内核的压力是大气压力的 800 亿倍。图片来源：罗切斯特大学激光能学实验室/尤金-科瓦卢克（Eugene Kowaluk）摄在《自然-物理》（Nature Physics）杂志刊登的两篇研究报告中，该团队分享了他们的研究成果，并详细介绍了这些方法的扩展潜力，目的是在未来的设施中成功实现核聚变。LLE 是美国能源部最大的大学项目，拥有 OMEGA 激光系统，该系统是世界上最大的学术激光器，但其能量几乎只有加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置 (NIF) 的百分之一。利用 OMEGA，罗切斯特的科学家们完成了数次成功尝试，向装满氘和氚燃料的小胶囊发射 28 千焦耳的激光能量，使胶囊发生内爆并产生足够热的等离子体，从而引发燃料核之间的聚变反应。实验引起的聚变反应产生的能量超过了中央热等离子体中的能量。OMEGA实验采用激光直接照射胶囊的方式，不同于在 NIF 上使用的间接驱动方式。在使用间接驱动方法时，激光会转化为X射线，进而驱动太空舱内爆。NIF 使用间接驱动法，利用约 2000 千焦耳的激光能量用 X 射线辐照胶囊。这使得NIF 在实现聚变点火方面取得了 2022 年的突破聚变反应可从目标产生净能量增益。成就与未来展望第一篇论文的第一作者康纳-威廉姆斯（Connor Williams）23 岁获得物理学和天文学博士学位，现在是桑迪亚国家实验室从事辐射和集成电路框架目标设计的科学家。他说："这是以后想完成任何事情的必要条件，比如燃烧等离子体或实现点火。"罗切斯特研究小组展示了他们仅用28千焦耳的激光能量就能达到如此水平的内爆性能，他们对将直接驱动方法应用于能量更大的激光器的前景感到兴奋。展示火花塞是重要的一步，但是OMEGA太小，无法压缩足够的燃料来实现点火。"如果能最终制造出火花塞并压缩燃料，那么与间接驱动相比，直接驱动具有许多有利于聚变能源的特性，在将OMEGA的结果放大到几兆焦的激光能量后，聚变反应预计会变得自我维持，这种情况被称为'燃烧等离子体。"21岁的Varchas Gopalaswamy博士（机械工程）说，他是LLE的科学家，领导了第二项研究，探索在兆焦耳级激光器上使用直接驱动方法的影响，类似于NIF的大小。戈帕拉斯瓦米说，直接驱动集成电路框架是实现激光核聚变中热核点火和净能量的一种很有前途的方法。LLE首席科学家、机械工程系和物理与天文学系罗伯特-L-麦克罗里（Robert L. McCrory）教授里卡多-贝蒂（Riccardo Betti）说："最近这些实验取得成功的一个主要因素是开发了一种基于统计预测并通过机器学习算法验证的新型内爆设计方法。这些预测模型让我们能够在进行有价值的实验之前，缩小有希望的候选设计的范围。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发明利用振动能量运行的突破性新型微型电源转换器

科学家发明利用振动能量运行的突破性新型微型电源转换器 加州大学圣迭戈分校和 CEA-Leti 的研究人员开发了一种新型压电式 DC-DC 转换器，通过将电源开关集中在单个芯片上，大大缩小了尺寸并提高了效率，有望在技术设备中得到广泛应用。上图为拟议中的压电转换器的芯片照片。资料来源：加州大学圣地亚哥分校该团队开发的电源转换器比目前用于这一用途的巨大、笨重的电感器要小得多。这些设备最终可用于任何类型的直流-直流（DC-DC）对话，包括智能手机、计算机、服务器群和 AR/VR 头戴式设备。突破性研究成果在旧金山举行的 ISSCC 2024 会议上，发表了题为"基于压电谐振器的集成式双侧串联/并联 20 至 2.2V DC-DC 转换器，损耗降低了 310%"的论文。论文报告说："双侧串联/并联压电谐振器（DSPPR）是首个用于基于压电谐振器的功率转换的集成电路，与之前发布和共同设计的分立式设计相比，其在 VCR<0.125 时的损耗降低了310%。"加州大学圣迭戈分校电气与计算机工程系教授 Patrick Mercier 是这篇论文的资深作者，他说："这种创新方法提高了性能，尤其是在低电压转换率的情况下在这一领域，之前的研究一直在努力保持高效率和压电材料的最佳利用率。"该论文解释说，与分立设计相比，混合 DSPPR 转换器利用集成电路的能力，以较小的面积提供复杂的功率级，并能在电压转换比 (VCR) 小于 0.1 的情况下实现设备的高效运行。革命性的单芯片解决方案CEA-Leti 硅元件部科学总监 Gael Pillonnet 说："该集成电路为将所有电源开关整合到单个芯片上提供了一个独特的机会，大大减少了 PCB 的占地面积，并提高了相位控制精度。"此外，在压电直流-直流转换器的前级和后级中加入额外的电容式转换器级，也有助于提高性能。这种战略性集成减少了对压电材料的需求，从而使转换器更加紧凑，总体积明显缩小。Pillonnet 说："与拟议拓扑结构带来的巨大收益相比，额外电容器的边际增加（不到 10%）就显得微不足道了。""直流-直流转换器，尤其是我们工作的重点低VCR范围内的直流-直流转换器，在各行各业都有广泛的应用，如大功率计算服务器、汽车系统、USB充电器和电池供电设备等，"Mercier研究小组的博士生、论文第一作者刘文钦（Wen-Chin Brian Liu）说。 ... PC版： 手机版：

科学家发现光与磁之间的突破性联系

科学家发现光与磁之间的突破性联系 耶路撒冷希伯来大学应用物理和电气工程研究所自旋电子学实验室主任阿米尔-卡普亚教授宣布了光磁相互作用领域的一项关键性突破。该团队的这一意外发现揭示了光学激光束控制固体磁性状态的机制，有望在各行各业得到切实应用。卡普亚教授说："这一突破标志着我们对光与磁性材料之间相互作用的理解发生了范式转变。它为光控高速存储技术，特别是磁阻随机存取存储器（MRAM）和创新光学传感器的开发铺平了道路。事实上，这一发现标志着我们对光磁动力学理解的重大飞跃。"利用光束进行磁记录（应用）。资料来源：Amir Capua与光辐射的快速行为相比，磁铁的反应速度较慢，因此通常较少受到关注。通过研究，研究小组得出了一个新的认识：快速振荡光波的磁性成分具有控制磁铁的能力，从而重新定义了物理原理关系。有趣的是，他们发现了一种描述相互作用强度的基本数学关系，它将光的磁场振幅、频率和磁性材料的能量吸收联系在一起。这一发现与量子技术领域密切相关，并结合了迄今为止几乎没有重叠的两个科学界的原理："我们是利用量子计算和量子光学界公认的原理，但在自旋电子学和磁学界却不太适用的原理，才得出这一认识的，当磁性材料和辐射处于完全平衡状态时，二者之间的相互作用已被充分证实。然而，迄今为止，人们对辐射和磁性材料不平衡的情况只做了非常片面的描述。这种非平衡状态是量子光学和量子计算技术的核心。我们借用量子物理学的原理，对磁性材料中的这种非平衡状态进行了研究，从而获得了磁体甚至可以对光的短时间尺度做出反应的基本认识。此外，这种相互作用被证明是非常重要和有效的。我们的发现可以解释过去二三十年间报道的各种实验结果。"这一发现具有深远的意义，特别是在利用光和纳米磁体进行数据记录的领域。它预示着超高速、高能效光控 MRAM 的潜在实现，以及各行各业信息存储和处理领域的重大变革。此外，在发现这一发现的同时，研究小组还推出了一种能够检测光的磁性部分的专用传感器。与传统传感器不同的是，这种尖端设计提供了各种应用的多功能性和集成性，有可能彻底改变以各种方式利用光的传感器和电路设计。这项研究由自旋电子学实验室的博士候选人 Benjamin Assouline 负责，他在这一突破性发现中发挥了至关重要的作用。由于认识到这一突破的潜在影响，该团队已申请了多项相关专利。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：