长春光机所在量子精密测量用窄线宽半导体激光器方面取得新进展

长春光机所在量子精密测量用窄线宽半导体激光器方面取得新进展中国科学院长春光学精密机械与物理研究所大功率半导体激光器研究团队在王立军院士、宁永强研究员的领导下，近年来开展了先进窄线宽半导体激光器及关键技术攻关。近日，该团队陈超副研究员报道了一种基于外部光反馈结构的852nm窄线宽、线偏振半导体激光器。激光器结构通过引入飞秒激光诱导的双折射Bragg光栅滤波器，并与高偏振相关性半导体增益芯片混合集成，利用偏振模式选择性反馈和注入锁定技术，实现了超过30dB偏振消光比和低至2.58kHz的高线偏振、窄线宽激光输出。该激光器可作为量子精密测量系统的潜在原子泵浦光源，并且基于前期在抗辐射、窄线宽激光器方面的研究基础，亦有希望用于空间环境中星载和箭载的冷原子量子实验系统。

二合一：量子点的突破同时结合了激光和LED的能力

二合一：量子点的突破同时结合了激光和LED的能力艺术家对胶体量子点（彩色六边形）从溶液（一滩液体）中投射到光栅（一组水平线）上，并通过电（闪电般的痕迹）或光学（来自右边的狭窄白色光束）激发，产生多色输出（光束从中间向左下方扩散）的表现。资料来源：AlbinGuyot洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个团队已经克服了在技术上可行的基于胶体量子点技术的高强度光发射器的关键挑战，产生了既能作为光学激励激光器又能作为高亮度电驱动发光二极管（LED）工作的双功能器件。正如《先进材料》杂志所描述的那样，这一进展代表了迈向电泵送胶体量子点激光器或激光二极管的一个关键里程碑，这种新型设备的影响将跨越众多技术，包括集成电子和光子学、光学互连、片上实验室平台、可穿戴设备和医疗诊断。"对胶体量子点激光二极管的探索代表了世界范围内旨在实现基于溶液加工材料的电泵浦激光器和放大器的努力的一部分，"洛斯阿拉莫斯化学部门的科学家和该研究的团队负责人维克多-克里莫夫说。"这些设备因其与几乎任何基底的兼容性、可扩展性和与片上电子和光子学（包括传统的硅基电路）的易于集成而被有着急迫的需求。"与标准的LED一样，在该团队的新设备中，量子点层充当了一个电驱动的光发射器。然而，由于每平方厘米超过500安培的极高电流密度，这些器件表现出前所未有的亮度，每平方米超过100万坎德拉（坎德拉衡量在特定方向发射的光功率）。这种亮度使它们非常适合于日光显示器、投影仪和交通灯等应用。量子点层还表现为一个高效的波导放大器，具有较大的净光学增益。洛斯阿拉莫斯团队用一个包含所有电荷传输层和电泵所需其他元素的全功能LED型设备堆栈实现了窄带发光。这一进展为备受期待的电泵送发光演示打开了大门，这一效果将使胶体量子点发光技术得以全面实现。胶体量子点半导体纳米晶体--或胶体量子点--是实现包括激光二极管在内的照明设备的有吸引力的材料。它们可以通过中等温度的化学技术以原子级精度制备。此外，由于它们的尺寸很小，与电子波函数的自然范围相当，量子点表现出离散的类似原子的电子状态，其能量直接取决于颗粒大小。这种所谓的"量子尺寸"效应的结果可以被利用来将发光线调到所需的波长，或设计一个支持多波长发光的多色增益介质。从量子点电子状态的特殊原子状光谱衍生出的其他优势包括低光学增益阈值和抑制发光特性对器件温度变化的敏感性。解决电泵挑战的创新设计大多数量子点发光研究都采用了短光脉冲来激发光学增益介质。用电驱动量子点实现发光是一项更具挑战性的任务。通过他们的新设备，洛斯阿拉莫斯研究小组向这一目标迈出了重要一步。实验室主任的博士后和量子点团队的首席设备专家NamyoungAhn说："挑战在于电和光设备的设计领域。特别是该设备的电荷注入结构必须能够产生和维持激光作用所需的非常高的电流密度。同一装置还必须表现出低的光学损耗，以使得不抑制在薄的量子点活性介质中产生的增益。"为了提高光学增益，该团队开发了新的纳米晶体，他们称之为"紧凑成分分级量子点"。"这些新型量子点的特点是由于内置的成分梯度而抑制了奥格重组，并且当组装在作为光学增益介质的密实固体中时，同时表现出较大的增益系数，"量子点团队的博士后ClémentLivache说，他对制造的器件进行了光谱研究。"这有助于在一个复杂的电致发光结构中实现净光学增益，在这个结构中，一个薄的、可放大光的量子点层与多个吸收光的电荷传导层相结合。"为了促进光的放大，研究人员还减少了他们设备中的光学损失。特别是，他们重新设计了电荷注入架构，去掉了有光学损耗的金属类材料，用适当优化的低吸收率有机层代替。此外，他们还设计了一个器件的截面轮廓，以减少高吸收性电荷传输层中的光场强度，同时增强量子点增益介质中的光场强度。最后，为了实现激光振荡，所开发的器件还补充了一个光腔，该光腔被制备成一个周期性的光栅，被集成到器件的一个电极中。这个光栅作为一个所谓的分布式反馈谐振器，允许光在量子点层的横向平面上循环，从而实现多通道放大。最后的挑战科学家利用光学激励达到了发光效果，由于通过电流产生的过多热量导致器件性能下降，因此没有观察到使用电泵的发光效果。这是展示电驱动激光振荡需要解决的最后一个挑战。就在几年前，由于超快的奥格衰变、量子点LED的电流密度不足以及在同一设备中结合电致发光和发光功能的困难等问题，电泵送胶体量子点激光器被广泛认为是不可能的。洛斯阿拉莫斯量子点团队的成果展示了对大多数这些问题的实际解决方案，表明功能性量子点激光二极管已近在眼前。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1360735.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1360735.htm

首款可见光波长飞秒光纤激光器研制成功

首款可见光波长飞秒光纤激光器研制成功研究人员开发出了第一台可以在电磁波谱可见光范围内产生飞秒脉冲的光纤激光器。图片来源：JérômeLapointe克服光纤激光器开发中的挑战从历史上看，实现可见飞秒脉冲需要复杂且本质上低效的设置。尽管光纤激光器由于其坚固性/可靠性、占地面积小、效率高、成本低和亮度高而成为一种非常有前途的替代方案，但到目前为止，还不可能产生持续时间为飞秒（10-15s)直接使用此类激光器进行测距。加拿大拉瓦尔大学研究团队负责人RéalVallée表示：“我们在可见光谱中演示的飞秒光纤激光器为新型可靠、高效和紧凑的超快激光器铺平了道路。”新型光纤激光器的技术细节研究人员在Optica出版集团的《光学快报》杂志上描述了他们的新型激光器，该激光器基于稀土掺杂氟化物光纤。该激光器发射波长为635nm的红光，可实现持续时间为168fs、峰值功率为0.73kW、重复率为137MHz的压缩脉冲。使用商用蓝色激光二极管作为光源或泵浦源，有助于使整体设计坚固、紧凑且经济高效。研究小组成员包括RéalVallée、Marie-PierLord、MichelOlivier以及未在合影中的MartinBernier。图片来源：JérômeLapointe参与该项目的博士生Marie-PierLord表示：“如果在不久的将来能够实现更高的能量和功率，许多应用都可以从这种类型的激光器中受益。潜在的应用包括高精度、高质量的生物组织消融和双光子激发显微镜。飞秒激光脉冲还允许在材料加工过程中进行冷烧蚀，这一过程可以[比长脉冲]进行更干净的切割，因为它不会产生热效应。”扩展光纤激光器的光谱范围在光纤激光器中，掺杂稀土元素的光纤充当激光介质。尽管光纤激光器是最简单、坚固且可靠的高亮度激光系统之一，但石英光纤的使用往往将其限制在近红外光谱区域。Vallée的团队一直致力于通过使用由氟化物而不是二氧化硅制成的光纤来扩展这些激光源的光谱范围。“我们之前专注于开发中红外光纤激光器，但最近对可见光纤激光器产生了兴趣，”洛德说。“虽然此类激光器缺乏紧凑高效的泵浦源，长期以来阻碍了其发展，但最近出现的蓝色光谱半导体激光源为高效可见光纤激光器的开发提供了关键技术。”在展示了连续发射可见波长的光纤激光器后，研究人员希望将这一进展扩展到超快脉冲源。得益于氟化物光纤制造工艺的改进，现在可以获得镧系元素掺杂光纤，其特性对于开发高效可见光纤激光器至关重要。创新和未来方向Vallée团队开发的新型脉冲光纤激光器将稀土掺杂氟化物光纤与商用蓝色二极管泵浦激光器相结合。为了产生和维持脉冲输出，研究人员还必须弄清楚如何仔细管理光纤中的光偏振。“开发新波长的激光器，其中光学元件的材料特性与以前使用的不同，有时可能会很棘手，”合著者米歇尔·奥利维尔（MichelOlivier）说。“然而，我们的实验表明，我们的激光器的性能与我们的模拟非常吻合。这证实了该系统表现良好且易于理解，并且该系统的重要参数已正确表征并且非常适合脉冲激光器，尤其是我们使用的光纤的特性。”接下来，研究人员希望通过使装置完全一体化来改进技术，这意味着各个光纤尾纤光学元件将直接相互粘合。这将减少装置的光学损耗，提高效率，并使激光器更加可靠、紧凑和坚固。他们还在研究提高激光器脉冲能量、脉冲持续时间和平均功率的不同途径。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1400663.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1400663.htm

研究人员创造新型铌酸锂-氮化硅激光器

研究人员创造新型铌酸锂-氮化硅激光器铌酸锂是一种经常被用于光学调制器的材料，用于调节通过设备传输的光的频率或强度。因其管理大量光功率的能力和高"波克尔斯系数"而受到高度重视。这使得该材料在被施加电场时能够改变其光学特性。研究人员通过将铌酸锂与氮化硅相结合实现了他们的突破，这使他们能够生产一种新型的混合集成可调谐激光器。为此，该团队在EPFL制造了基于氮化硅的光的集成电路（"光子集成电路"），然后在IBM将其与铌酸锂晶圆粘合在一起。该研究中开发的芯片。资料来源：GrigoriiLikhachev(EPFL)这种方法产生了一种具有低频率噪声（衡量激光器频率稳定程度的标准）的激光器，同时具有快速的波长调谐功能--这对于用于光探测和测距（LiDAR）应用的激光器来说都是很好的品质。然后，他们进行了一个光学测距实验，用该激光器高精度地测量距离。除了集成激光器，该混合平台还有可能实现用于电信的集成收发器以及用于量子计算的微波-光学传感器。领导该项目的EPFL方面的TobiasJ.Kippenberg教授说："这项成果的显著之处在于，该激光器同时提供了低相位噪声和每秒百万赫兹的快速调谐，这是以前从未用这种芯片级集成激光器实现的。"这项研究得到了地平线2020框架计划、瑞士国家科学基金会和空军科学研究办公室的资助。芯片样品是在EPFL的微纳技术中心（CMi）和IBM研究院的Binnig和Rohrer纳米技术中心（BRNC）制作的。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1356589.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1356589.htm

EPFL Galatea实验室科学家用玻璃制造出飞秒激光器

EPFLGalatea实验室科学家用玻璃制造出飞秒激光器科学家们用玻璃制造出了一种紧凑型飞秒激光器，彻底改变了对准过程，有望推动量子光学和技术微型化的发展。这一创新方法得到了欧洲研究理事会的资助，有望实现商业化。图片来源：JamaniCaillet/EPFLGalatea实验室是光学、力学和材料科学的交叉学科，飞秒激光器是贝鲁厄工作的关键要素。这些激光器能发出极短而稳定的光脉冲，可应用于激光眼科手术、非线性显微镜、光谱学和可持续数据存储等多个领域。通常情况下，商用飞秒激光器是通过将光学元件安装在基板（如光学面包板）上制成的，因此必须进行细致的对准。"我们使用飞秒激光来研究材料的非线性特性，以及如何改变材料的体积，"Bellouard解释说。"通过痛苦的复杂光学对准练习，让你梦想用更简单、更可靠的方法来对准复杂的光学器件"。Bellouard及其团队的解决方案是什么？使用商用飞秒激光器用玻璃制作飞秒激光器，大小不超过一张信用卡，对准麻烦更少。研究成果发表在《光学》（Optica）杂志上。如何用玻璃制造飞秒激光器要利用玻璃基板制造飞秒激光器，科学家们首先要从一块玻璃板开始。Bellouard解释说："我们希望制造出稳定的激光器，所以我们使用玻璃，因为玻璃的热膨胀率比传统基板低，是一种稳定的材料，而且对我们使用的激光来说是透明的。"科学家们使用商用飞秒激光器在玻璃上蚀刻出特殊的刘海，以便精确放置激光器的重要组件。即使是微米级精度的制造，刘海和组件本身的精度也不足以达到激光品质的对准。换句话说，反射镜还没有完全对准，因此在这个阶段，他们的玻璃装置还不能作为激光器使用。使用蚀刻技术制造GigaFemto激光器。图片来源：JamaniCaillet/EPFL科学家们还从以前的研究中了解到，他们可以使玻璃局部膨胀或收缩。为什么不用这种技术来调整反射镜的排列呢？因此，最初的蚀刻设计是让一面镜子位于一个刘海中，刘海中的微机械挠性设计可以在飞秒激光照射时局部搅拌镜子。这样，商用飞秒激光器就能被第二次使用，这次是为了校准反射镜，并最终制造出稳定的小型飞秒激光器。Bellouard说："这种利用激光与物质相互作用对自由空间光学元件进行永久对准的方法可以扩展到各种光学电路，对准分辨率极高，可达亚纳米级。"应用及其他Galatea实验室正在进行的研究项目将探索如何在量子光学系统组装中使用这项技术，从而突破目前可实现的微型化和对准精度的极限。对准过程仍由人类操作员监督，通过练习，可能需要几个小时才能完成。尽管激光器体积很小，但其峰值功率可达约千瓦，发射脉冲的时间不到200飞秒，仅够光穿过人的头发。这项新颖的飞秒激光技术将由Cassio-P公司推出，该公司将由Galatea实验室的AntoineDelgoffe领导。Bellouard总结道："飞秒激光器是可以自我复制的，那是否意味着我们已经到了自我克隆制造设备的阶段？"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399729.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399729.htm

NASA研发新型激光器 在未来可帮助宇航员寻找月球上的水

NASA研发新型激光器在未来可帮助宇航员寻找月球上的水来自美国宇航局戈达德太空飞行中心的工程团队开发了一块小巧却强大的激光器，在未来能够帮助宇航员寻找月球上的水。该激光器的体积比美分硬币海啸，利用量子力学效应产生太赫兹（THz）范围内的光束，用于寻找隐藏的水。在过去十多年时间里通过Chandrayaan-1等任务，我们一直确认的一点是月球上存在着水。该轨道器使用光谱仪对月球表面进行成像，该光谱仪测量不同波长光的反射和吸收，从而可以揭示存在的物质的成分，包括水分子。尽管这些仪器非常实用，但它们的灵敏度无法区分水和类似形式（如游离氢离子和羟基）。更精确的仪器称为外差光谱仪（heterodynespectrometers），通过将入射光与设备中的激光相结合，然后测量两个光源之间的差异，专注于更紧凑的频率范围。戈达德工程师设计了一种可以调谐到水所在太赫兹频率的设备。现有的产生太赫兹波的振荡器和激光器是体积庞大、笨重且耗能，但他们设法将设计缩小到硬币大小。为此，该团队利用了一些奇怪的量子技巧。该团队设计的设备叫做量子级联激光器，它由一系列超薄半导体材料层组成。发射的光子进入这道屏障——由于这些层太薄，光子更有可能忽略屏障而出现在另一侧，这种现象称为量子隧穿。当一个光子到达另一边时，它会激发其他光子，因此当它们穿过设备中堆叠的80到100层时，最终结果是一串具有太赫兹能量的光子级联。波导和薄光学天线使光束聚焦更长时间。该团队表示，即使配备电源、处理器和光谱仪等硬件，整个系统也可以装入茶壶大小的设备中。这意味着未来的宇航员有可能使用手持版本在月球、火星或其他天体上寻找水。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1309089.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1309089.htm