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激光国内外激光技术进展盘点新型半导体

时间:2019-04-11 00:56:47 来源:互联网 阅读:0次

国内外激光技术进展盘点:新型半导体及纳米激光器

作者:未知 来源:OFweek激光

OFweek激光讯:新型纳米激光器为下一代光计算设备奠定基础、锗锡半导体激光器可在有史以来温下工作、欧洲打造世界强激光器、新型电泵浦半导体激光器提高图像质量...在过去的一个月里助力泵
,激光技术持续突破,接下来简单盘点进展情况:

1、可直接兼容硅芯片的锗锡半导体激光器

来自尤里希旗下皮特格林贝格研究所(PGI-9)和保罗谢勒研究所(Paul Scherrer Institute)的科学家们已经用锗和锡制成了实验用的附件,并且在硅晶片上进行了测试。

保罗谢勒研究所在测定之后发现,锗锡化合物可以同时产生和放大激光信号,而且锡元素对这种新设备的光学性能显得非常重要。

PGI-9博士生Stephen Wirths补充道:高含锡量决定了它的光学性能,这是我们首次在晶格中掺入了超过10%的锡而没有损失其光学品质。

目前电子系统中所使用的半导体激光器,主要由元素周期表中的第三族或第五族元素所组成,比如砷化镓。

也正因为如此,由这些材料制成的激光器无法与其它硅基半导体装置直接兼容(不仅困难,而且费力)。此外,由于其连接材料拥有不同的系数,装置的使用寿命也会有所降低。

PGI-9博士Dan Buca表示:这款激光装置可以在有史以来的温下工作(零下183摄氏度/零下297.4华氏度)。相信这款测试系统在优化之后,还会带来更加优异的性能表现。

此外,同步电路的时钟信号可使用高达30%的能量,这样可以在光传输过程中节省大量能量。

2、美研究人员用薄半导体造出新型纳米激光器

美国科学家们利用迄今纤薄(仅为三个原子厚)的半导体,制造出一种新型纳米激光器,其不仅能效更高,容易制造且可与目前的电子设备兼容。研究人员表示,这一研究成果为终制造出用光而非电子传输信息的下一代计算设备奠定了坚实的基础。

从医疗到金属切割再到电子产品,激光器都在其中扮演重要角色,但为了满足现代计算、通讯、成像和传感要求,科学家们一直希望能制造出体型更小且耗能更低的激光系统。华盛顿大学和斯坦福大学携手研制的这款纳米激光器,用仅仅三个原子厚的钨基半导体作为发光增益材料,或将满足上述要求。

该研究主要负责人吴三丰(音译)表示:纳米激光器中使用的钨基半导体也是近才问世,单层钨基分子非常纤薄且能有效地发射光,科学家们已经用它制造出了晶体管、二极管、太阳能电池等,现在,开始用它制造纳米激光器。

尽管纳米激光器体型娇小,肉眼无法看到,但其可广泛应用于多个领域从下一代计算设备到能监测健康状况的可植入微型芯片等。不过,以前研制出纳米激光器使用的增益材料,要么更厚,要么被嵌入捕获光的空腔结构内,这就使它们很难制造且不容易同现在的电路和计算设备完美融合。据报道,纳米激光器中使用的三个原子厚度的半导体能直接放在常用的光学空腔内,因此,能与组成激光器的关键元素有效地结合在一起。而且,只需27纳瓦的电力就能让其发射光,能效极高。

该研究的联合作者、华盛顿大学电子工程和物理学助理教授阿卡马优姆达表示,新型纳米激光器的另一个优点是很容易制造,也可与电子设备中常见的硅原件一起工作;另外,使用原子板作为增益材料不仅让其用途广泛且能更好地对其属性进行控制。的纳米激光技术让科学家们朝着光子计算和短距离光通讯迈出了重要一步。接下来,他们打算对激光发射的光的属性进行更深入的研究。

研究人员希望他们能进一步制造出电驱动的纳米激光器,终实现用光而非电子在计算机芯片和主板间传输信息。目前的信息传输过程可能导致系统过热,可能也会浪费大量能源,因此,包括脸谱、惠普和因特尔等拥有大量数据中心的巨头都对能效更高的解决方案感兴趣。使用光子而非电子来传输信息耗能更少,且有望使下一代计算设备突破目前的带宽和能量限制。

3、世界上强大的激光器

欧洲正与美国等科学家正研制的世界上强大的激光器,有助于研究人员洞悉宇宙是如何形成的。它叫做高重频先进千兆兆瓦激光系统(HAPLS),将在欧洲捷克共和国部署安装,它能够在30飞秒(飞秒为10的负15次方秒)内产生30焦耳的能量,产生的功率峰值超过1拍瓦(10的15次方瓦),目前HAPLS激光系统的个关键部件二级管泵固体激光器由美国能源部劳伦斯利弗莫尔实验室(LLNL)负责设计、建造,已经完成组装并被部署安装至捷克共和国的欧洲极端光基础设施(ELI)中,标志着这个巨大项目的阶段施工告一段落。

HAPLS能够在百万亿分之一秒内释放超强激光束,释放出的光比地球上所有发电站发出的光还要强大10万倍。因类似科幻电影《星球大战》中黑武士达斯维达(DarthVader)的激光焊接基地而被昵称为死星激光器。二级管泵固体激光器功率放大器将使用掺钕玻璃放大器板(这与美国国家点火装置相同),在10赫兹重频的情况下产生3.2兆瓦的镭射功率,其作用是为第二个组成系统即啁啾脉冲放大器短脉冲激光器提供能量。在二级管泵固体激光器的输出端,利用频率转换器使频率加倍,从红外转变成绿光频率,以匹配短脉冲激光器的吸收谱带要求。

HAPLS的短脉冲激光系统将使用掺钛蓝宝石作为放大介质化妆品厂家
,可从二级管泵浦固体激光器的能量转换成脉宽为30飞秒、能量为30焦耳、峰值功率超过1拍瓦的激光脉冲。

HAPLS将安装在位于欧洲捷克共和国的欧洲极端光基础设施(ELI)中,该设施目前仍在建设当中。HAPLS两个激光系统由美国能源部劳伦斯利弗莫尔实验室负责设计、建造和组装。HAPLS系统计划在2016年从美国运往欧洲,并将在2017年进行首次试验。

HAPLS能够产生超短、高能激光脉冲,这种脉冲可以作为二次源产生电磁辐射(如高亮度X射线)或加速带点粒子(电子、质子或离子)。这种激光技术在物理、医学、生物学和材料科学领域都有应用。

4、新型电泵浦半导体激光器让成像更清晰

耶鲁大学开发的一种新型半导体激光器有望显着提高下一代高科技显微镜、激光投影仪、光刻、全息摄影和生物医学成像的图像质量。

基于混沌空腔激光技术,该技术结合了传统激光器的高亮度优点和发光二极管(LEDs)的低图像损毁性优点。近年来,寻求高速、全景成像应用所需的更好光源,已经成为该研究领域的热点。

研究论文的共同作者、应用物理学与物理学教授A. Douglas Stone说道:许多基础研究终都发展为有社会价值的重大发明,混沌空腔激光技术就是其中一个。此前,所有基础工作主要是为了了解尚未投入应用的激光类别随机激光和混沌激光。终,通过相关学科知识的综合运用,我们发现这些激光正好可以解决成像和显微镜方面的很多问题。

在这些问题中有一个被称为散斑(speckle),是一种随机的、粒状的图案,由较高的空间相干性(high spatial coherence)引起。在传统激光器中,较高的空间相干性会严重影响成像效果。一种避免散斑的方法是使用LED光源,但对于高速成像来说,LED光源的亮度不够。

这种新型的电泵浦半导体激光器提供了一种不同的解决方案,在产生强烈光发射的同时,具有很低的空间相干性。

对于全景成像,散斑的对比度应该低于4%,这样才能避免对人们的观察产生干扰。该论文的通讯作者、应用物理学教授Hui Cao说道,正如我们文章中展示的那样,标准边射型激光器产生的散斑对比度高达50%,而我们的激光器的散斑对比度只有3%左右。所以这种新型激光器完全消除了全景成像中所遇到的问题。

5、新型激光笔可分辨出健康脑组织与肿瘤

切除脑部肿瘤是一项复杂而精密的工程,有医生形容这个过程如同从果冻里挖出蜘蛛挖不干净,肿瘤会留在大脑里继续生长,挖得太多,就会破坏健康脑组织,令病人失能。也许一毫米就能让手术结果天差地别。

如今,英国伦敦帝国理工学院正在试用一种新型激光笔,它可以发出近红外光,在不到一秒的时间里分辨出健康脑组织与肿瘤,从而向医生发出提醒。这种激光笔先前在加拿大用来帮助医生实施皮肤癌手术,取得良好效果。

帝国理工学院的医生计划在接下来一年中,在约30名患者身上试验,希望在它的帮助下提高手术准确率,缩短手术时间。医生预测,激光笔能让三小时长的手术缩短30分钟。

6、矢量漩涡光束激光器研究取得突破

中国科学院上海光学精密机械研究所信息光电实验室研究员李建郎课题组在新型固体激光器研究中,同时实现了具有矢量偏振和螺旋相位的激光光束输出。

矢量、涡旋光束是在光束横截面内同时具有非均匀偏振态和螺旋位相结构的新型激光光束。与其他激光光束相比,矢量光束可被高数值透镜聚焦更小的尺寸,并且在焦点处可形成极强的纵向电场或者纵向磁场,因此在粒子捕获、生物光镊、高分辨率显微镜技术、带电粒子加速以及高精度材料加工等领域有非常重要的应用。而涡旋光束则由于具有螺旋位相,该光束中的光子带有轨道角动量,并可将轨道角动量传递给处于光场中的微粒(分子、原子、电子和等离子体等)上从而导致其沿圆周轨道运动。通过各种方式分别产生矢量光束和螺旋相位光束一直是激光光学研究领域的热点之一,但利用激光器直接输出同时具有矢量偏振和螺旋相位的激光束尚未见报道。

李建郎课题组在研究中,首先利用粗芯径、大数值孔径的多模光纤,通过离焦耦合将激光二极管输出的808纳米多横模激光光束转换为空心光束,然后利用该空心光束从端面泵浦一个微片激光器。该激光器仅由一块掺杂钕离子的钇铝石榴石(Nd:YAG)激光晶体和一个平面输出镜组成,在没有采用任何其他腔内元件的情况下,获得了径向偏振和螺旋相位的连续激光输出。在此基础上,通过在激光器腔内插入一块可饱和吸收晶体,实现了径向偏振和螺旋相位的脉冲输出;并且该激光器在高功率运转时,通过轻触激光腔镜,激光器的脉冲输出可转化为切向偏振,同时光束的螺旋相位特性保持不变。

7、激光器组合灵活控制激光脉冲

单一激光器的局限性主要有重复率和脉冲。但当五个激光器结合成一个系统,这种局限性就被打破了。

由南安普顿大学研发的这种新设备,可以产生任意振幅和相位分布的宽带光信号这种灵活的调制可以应用于电信、计量、检测和材料加工。

这种方法通过多个半导体激光器的相干合成,每一个激光器都以不同频率的连续波模式运行。通过精确控制每个激光器的输出振幅和相位,就可能产生一系列复杂的脉冲光波形。研究人员用这套设备发出了100GHz的脉冲。

博士研究生DaivdWu说:通过整合较多数量的输入激光器,就可以获得更短或者更复杂波形的脉冲或者更大的功率。也可以产生噪声信号非常低(低到量子极限),重复频率非常高(高于1THz)的脉冲。

任何对光脉冲的应用,通常是一个具有特定重复频率、脉冲时间和脉冲形状的波形。要设计和制造有精确要求的激光器,是个挑战。甚至对于某一激光器解决方案,需考量其大小、复杂程度、操作便捷性等的关键因素。

该组合方法起关键是锁相半导体激光为一个光频梳,这确保每一个单独的激光器都有明确定义的互相干。激光器可以全部集成在一个芯片中,实现一个集成化、低成本的脉冲发射器。

8、高能量千赫兹亚纳秒绿光全固态激光器

近日,由光电院和北京国科世纪激光技术有限公司联合研制的高能量千赫兹亚纳秒绿光全固态激光器,在国内首次实现了单脉冲能量达到40mJ,脉冲宽度662.7ps的千赫兹亚纳秒激光输出,并通过了由中国计量科学研究院进行的第三方测试。

该激光器由种子源、再生放大器、多级高能量功率放大器和非线性频率变化模块组成,应用了脉冲斩波技术、快速电光开关控制、高消光比隔离组件设计、高主从比脉冲输出控制、多级功率放大过程光束质量优化与控制等多项关键技术,终实现532nm激光输出能量40mJ,脉冲宽度662.7ps,光参数积0.43mm*mrad,主从脉冲对比度500:1的技术指标。该激光器将提供给中国科学院云南天文台,主要用于低轨道空间碎片的高精度测距。

9、科学家首次拍摄波粒二象性照片

当紫外光照在金属表面时,会造成一种电子发射。爱因斯坦将此解释为入射光的光电效应,被认为只是一种波,也是一束粒子流。EPFL的一个由法布里奥卡彭领导的研究小组进行了一次聪明的反向实验:用电子来给光拍照,终于捕获了有史以来张光既像波,同时又像粒子流的照片专业声卡批发

实验设置大致为:发出一束激光脉冲照射微细的金属纳米线。激光给纳米线上的带电粒子增加了能量,使它们振动起来。光沿着这条微细纳米线以两个可能的方向传播,就像高速路上的车辆。当波以相反的方向传播,互相碰在一起时,就会形成一种新的波,看起来像停驻在那里。在此,这种驻波成为实验中的光源,向纳米线的周围辐射。

实验中所用的技巧在于,研究人员发射了一束电子接近纳米线,用这束电子来给停驻的光波拍照,当电子和驻波在纳米线上相互作用时,它们要么加快,要么减慢。用超快显微镜拍摄这一速度改变的位置,就能使驻波变得可见,就像光的波性指纹。

而这种现象不仅能显示出光的波状特性,同时也显示了粒子特性。当电子接近光驻波时,它们会撞击光粒子,也就是光子,这会影响它们的速度,让它们的速度更快或更慢。这种速度的变化显示了电子和光子之间的能量包(量子)的交换,正是这些能量包的出现,显示了纳米线上的光的粒子性。

10、利用激光在真实飞行中显示流态

利用激光进行流态显示的技术已经在风洞中正常使用了多年,而德国航空航天研究院(DLR)的研究人员近来正在研究利用激光在真实飞行中显示流态,旨在更好地理解低速飞行中襟翼和发动机短舱附近的流动机理,设计更加高效、静音的高升力系统。

DLR将一架A320研究试验机进行了改装,在机身内部相关位置的一个特殊的舷窗后安装了一个激光偏光器,在临近的舷窗处安装了两台高速照相机,它们镜头指向机翼上方以记录自然产生的微小水滴运动。目前已经进行了两次飞行测试。

这项技术被称为粒子成像测速技术(PIV),它能够实现三维成像,相比其他在流场中布置传感器的流动测量方法,这种方式对流场不施加任何外界干扰。这项研究活动是在空客资助的高升力飞行验证计划(Hinva)下开展的。Hinva计划旨在利用CFD分析、风洞试验和飞行测试建立机翼和襟翼的设计数据库,实现在更低进近速度下在更短跑道降落的更加安静的高升力系统设计。研究人员目前正在根据飞行试验中的数据制作机翼上的流态显示三维动画。

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