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2016年十大激光技术进展盘点

激光技术作为一门年轻的学科,为人类的科技、生产和生活带来了重大的变革。不论是在加工、科研、生物、前沿技术等领域,都具有非常大的应用空间,因而持续受到国内外企业及科研机构重视,技术发展日新月异。2016年以来,激光技术同样取得了一系列重大突破。

1.实验首次观察到光子冲击加热纳米粒子现象

瑞士苏黎世联邦理工大学的卢卡斯·诺沃提尼为领导研究团队,首次测量到了光子与微观粒子碰撞时的微小"冲击"的变暖效应。

研究团队利用激光把半径约为50nm的二氧化硅纳米粒子限制在光阱中,光阱的环境是一个超真空室。研究人员使用一种称为反馈冷却过程,其中捕获粒子的位置受到监控,且陷阱的频率相应地进行调制,抽离粒子运动的能量并降低粒子的温度到微开尔文水平。在气压大于10e9的环境中,粒子的温度的最低温度是由压力决定的。10e9之下,不论压力是多少,最低温度不随压力变化。这意味着,在非常低的压力下,占主导地位的限制冷却的原因是陷阱中的电磁噪声。

接下来,研究小组在非常低的压力下关闭了反馈冷却过程,允许被困的光子自由地加热它的粒子。振荡粒子的能量状态之间的差距是大于每个单独的光子碰撞反冲能量量级,所以最简单的光子散射的能量没有影响弹性粒子。然而有时候,光子会把纳米粒子激发到一个更高的振荡状态,逐渐升温。这种变暖的过程是随机的,但,通过重复多次,平均他们的结果,研究人员成功地产生光滑的变暖曲线显示,当被困在一个更高功率的激光中时,粒子加热速度更快。

2.物理学家突破激光电子相互作用的记录

研究人员成功的将一个电子束的能量以30%的转换效率转换成一个相干光脉冲,远远高于大多数自由电子激光器的10%的效率。

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   在演示试验中,他们利用一个五米长的加速隧道进行电子束的加速,利用磁铁组成的几米长的螺旋路径对加速电子进行导向,同时,用红外激光照射这些电子。在激光的照射使得电子减速同时发射出与原来的激光相同波长的红外激光束,出射光在这个受激辐射的过程中受到有效的放大,放大的程度取决于电子束的起始能量。该团队说明,它打破了"自由空间传播的激光脉冲和一个相对论电子束"相互作用的记录。

这个方法可能会有助于在一个范围内的波长,包括X射线等实现有效的、高功率激光器。这样的X射线源可以用来更快和更有效地用于半导体芯片上的蚀刻电路。


3.
超快
激光脉冲功率达6飞秒200W创世界纪录

为了开发新的高重复率超短脉冲激光,由来自德国弗瑞敕斯奇勒大学、弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所以及Active Fiber Systems等组织机构的研究人员携手欧盟ELI(Extreme Light Infrastructure)项目构建了一个能提供高达6飞秒200W的激光系统,刷新了世界纪录。

这个激光系统是根据拥有两个非线性压缩阶段的飞秒光纤激光器构建的。系统的泵浦源包括一个光纤啁啾脉冲放大(FCPA)系统,拥有由多达8个主要放大器通道组成的相干合成系统。在进行首批测试时,该系统运行于1.27MHz,提供了660W功率。最终规格将定为100 kHz和100W。

通过两个非线性压缩阶段,第一个阶段通过408W功率(相当于320μJ脉冲能量)提供大约30飞秒的脉冲。经过了第二阶段以及随后的压缩,最终实现了208W、6.3飞秒的超快激光脉冲。

具体成果已经发表在光学领域著名期刊Optics Letters上。

4.光-物质耦合作用强度创新纪录

为了获得光-物资的强耦合作用,IQC博士尔·弗恩-戴兹领导的研究团队将铝电路稀释制冷剂中,构建了一个冷却到绝对零度之上,达百分之一摄氏度的超导电路。并使用光脉冲发送光子进入超导电路中,同时施加了一个小型磁场,以实现对电路中量子状态的控制。

通过测量光子的传输情况,研究人员确定了量子比特的共振现象。弗恩-戴兹解释说,他们测量出的共振频率范围比量子比特本身的频率更宽。这意味着光子和量子比特之间存在着非常强的相互作用。这次试验创造了迄今最强的光-物质耦合新纪录,强度是之前的10倍多。研究人员表示,最新研究正在使对光-物质相互作用的研究进入一个新领域,进入量子光学领域。该试验的电路有潜力作为量子模拟器,供研究自然界中其他有趣的量子系统所用。光和量子比特之间这种强烈的量子耦合,有助于科学家们进一步探索与生物过程、高温超导等奇特材料甚至相对论有关的物理学研究。

5.上海光机所超强超短激光成功产生反物质

一直以来,反物质是否存在?存在的形式又是怎样?一直受到科学家重点关注,这也是现代物理学研究的基本问题之一。

上海光机所强场激光物理国家实验室利用飞秒拍瓦激光装置和高压气体靶相互作用,产生大量高能电子,高能电子和重核材料靶相互作用,由韧制辐射机制产生高强度伽马射线,伽马射线再和重核作用产生正负电子对。正电子谱仪经过精心设计,成功解决了伽马射线带来的噪声问题,利用正负电子在磁场中的不同偏转特性,实验中在单发条件下就成功观测到了正电子。这是我国首次报道利用激光产生反物质。

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图1:超短超强激光产生正电子示意图

这一发现将在材料的无损探测、激光驱动正负电子对撞机、癌症诊断等领域具有重大应用。

6.黑磷量子点的制备及超快光子学应用领域取得新进展
  
自2014年以来,黑磷由于其优异的性能得到了科学界广泛关注,被认为能与石墨烯相媲美的二维原子材料。然而,针对黑磷量子点的光电及超快光子学方面的研究还尚未开展。


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中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋研究员课题组与深圳大学张晗教授课题组合作,在黑磷量子点的制备及超快光子学应用领域取得新进展。

课题组成员徐艳华和王志腾等采用溶剂热方法成功制备了一种超小黑磷量子点,并首次揭示了黑磷量子点材料的非线性光学特性,将其成功应用于超快激光技术中。课题组采用溶剂热方法从黑磷体材料成功制备出横向尺寸约为2纳米的黑磷量子点。该方法不仅能够得到尺寸均一的黑磷量子点,并且能够实现大规模制备,拓展了黑磷量子点在光电领域的应用。此外,该课题组还揭示了黑磷量子点具有比黑磷纳米片更为优异的饱和吸收特性,其调制深度高达30%左右,饱和强度在GW/cm2量级。将黑磷量子点作为可饱和吸收体用于锁模激光器中,在通信波段能产生超短脉冲。该研究成果表明黑磷量子点由于其自身的量子限定效应,在超快光子学的应用具有巨大的潜力,有望发展成为一种新型的光学功能材料。
    Solvothermal synthesis and ultrafast photonics of black phosphorus quantum dots

7.弯曲激光束传递信息距离创造世界纪录

弯曲激光束不同于普通的电磁波,它的不同光波具有不同的相位,在行进中呈现螺旋状,这种螺旋状弯曲激光束加密和传递信息几乎没有容量限制,是通讯特别是卫星通讯领域的理想选择。

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维也纳大学科学家加密弯曲激光束后,让弯曲激光束的行进里程达到了143公里。这一行进记录创造了新的世界纪录,几乎比之前纪录提高了50倍。这一新突破或能给卫星通讯方式带来革命性变化。

一般情况下,风云变幻的大气会对信息传递造成干扰,导致传输距离无法满足实际应用要求。本次新研究创造了弯曲激光传输信息最远距离纪录,只是目前编码和破译信息的速度还不及发送电报所用的摩斯密码。研发团队接下来会利用已有的自适应光学等技术,提高弯曲光系统的信息传输和编译速度。

8.激光器和反激光器同时出现在了同一器件中

能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家们第一次创造了一个可以同时起到激光器和反激光器的作用的单一器件,这是一个利用先进的纳米加工技术制造的824对重复的增益和损耗材料来构成这个器件,器件长为200微米,宽为1.5微米。作为比较,人的一根头发的直径约为100微米。科学家们在电信频段内演示了这两个相反的功能。

这项研究成果,在一篇即将发表在《自然-光子学》杂志上的文章中进行了报道,这些发现为开发一类新的集成器件奠定了基础,这类器件可以灵活地作为激光器,放大器,调制器和探测器使用。

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下面的原理图显示了输入光(绿色)进入到单个器件相对的两端。当输入光1的相位快于输入光2的相位(左图),增益介质占主导地位,从而得到对入射光的相干放大,或者说激射模式。当输入光1的相位慢于输入光2的相位(右图),损耗介质占主导地位,从而导致对入射光束的相干吸收,或者说反激射模式。

9.首次利用激光光束冷却超流体

澳大利亚昆士兰州大学研究人员首次利用激光光束冷却被称为超流体的特殊形态量子液体。激光器广泛应用于冷却气体及固体,但之前从未听说过用于量子液体冷却。该成果被刊登在Nature Physics杂志上。

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这项研究可用于强化引导系统传感器来发展量子器件、从根本上探究量子物理学中湍流,或者量子流体的涡旋当温度接近绝对零度时。

10.科学家首次用激光成功拍摄9飞秒内分子分解过程

美国堪萨斯州立大学和西班牙巴塞罗那科学技术研究所(BIST)科学家们,首次用激光成功拍摄出含4个原子的分子在9飞秒内化学反应动态过程。这一发表在《科学》杂志上的最新研究将为科学家提供有力工具,以观察化学、生物学和物理学等领域不同类型的反应过程和分子变化。

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这是通过一种中红外激光诱导电子衍射(LIED)的技术,利用分子内部自有的电子为分子拍照,获得了乙炔内化学键断开过程的连拍图片。他们向乙炔分子施加一束强激光,激活分子内一个电子离开,启动乙炔分子发生分解反应,最后为这一发生在9飞秒内的分子变化连续拍摄出多张图片。这是首次实时观察到9飞秒内的分子分解过程。借助飞秒激光工具,能测出化学键的断裂位置和先后顺序,从而更好地理解和控制化学反应过程。