中国研发出全球最薄光学晶体 有望在多领域实现应用突破

中国研发出全球最薄光学晶体有望在多领域实现应用突破中国北京大学科研人员成功研发出全球最薄的光学晶体，能效较同等厚度的传统晶体提升100至1万倍，未来非常有望在量子光源、光子芯片、人工智能等领域实现新的应用突破。新华社星期一（12月18日）报道，北大科研团队提出新的光学晶体理论，并应用轻元素材料氮化硼首次制备出一种“薄如蝉翼”“几乎看不见”、具有超高能效的光学晶体——“转角菱方氮化硼”（简称TBN），为新一代激光技术奠定了理论和材料基础。这项成果近日发表于国际物理学权威期刊《物理评论快报》。据了解，激光是信息社会的底层技术之一，光学晶体可实现频率转换、参量放大、信号调制等功能，是激光的“心脏”。中国科学院院士、北京大学物理学院教授王恩哥指出，这一重要成果是中国在光学晶体理论方面的原创性突破，开辟了利用轻元素二维薄膜材料制备光学晶体的新领域，制备出的TBN厚度仅有微米量级，是目前世界已知最薄的光学晶体，能效相较于同等厚度传统晶体提升了100至1万倍。过去60多年，光学晶体的研发方向主要由美国科学家提出的两种相位匹配理论所指引。此次，北大物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长、北京怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台副主任刘开辉教授，以及王恩哥带领研究团队，基于轻元素材料体系开创出第三种相位匹配理论，即“转角相位匹配理论”。刘开辉说：“如果我们把晶体中产生的激光看作是一支队伍，运用‘转角’方法就能让所有人的方向和步伐高度协调，就能大大提升激光的能量转换效率。”他指出，研究开辟了全新的设计模型和材料体系，实现了从基础光学到材料科学技术的全链条原始创新。刘开辉介绍称：“这种晶体的厚度仅为1至10微米，相当于普通A4纸厚度的三十分之一，而目前已知的光学晶体厚度多为毫米甚至厘米量级。”目前，TBN制备技术正在申请美国、英国、日本等国的专利。研究团队现已制造出TBN激光器原型机，并正与相关企业联合开发新一代激光器技术。王恩哥指出：“光学晶体是激光技术发展的基石，谁掌握了光学晶体的设计理论和制备技术，谁就掌握了激光技术的未来。”...2023年12月18日9:42PM

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：AndreaBancora和YangLiu（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TobiasKippenberg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》（NaturePhotonics）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：YangLiu（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50Hz，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10mW，边模抑制比超过70dB，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40nm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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434644.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434644.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

科学家发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导

科学家发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导美国海军研究实验室（NRL）与堪萨斯州立大学合作，宣布发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导。这一里程碑式的发现已在《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志上发表。二维（2D）材料是一类可以通过机械剥离层来还原到单层极限的材料,通过所谓的"苏格兰胶带"法，可以利用微弱的层间吸引力或范德华吸引力将各层分开。最著名的二维材料石墨烯是一种由单层碳原子组成的半金属材料。最近，包括半导体过渡金属二掺杂物（TMDs）和绝缘六方氮化硼（hBN）在内的其他二维材料也引起了人们的关注。当降低到接近单层极限时，二维材料具有独特的纳米级特性，这对制造原子级薄型电子和光学设备很有吸引力。新型材料与应用部门的SamuelLagasse博士说："我们知道使用六方氮化硼会使我们的样品具有出色的光学特性，但我们谁也没想到它还能起到波导的作用。由于氮化硼在基于二维材料的设备中应用如此广泛，这种作为光波导的新用途可能会产生广泛的影响。"六边形氮化硼波导中的波导光致发光共聚焦显微镜图像，边缘的叶状图案让人联想到锦鲤绕池游。图片由SamuelLaGasse于2023年4月拍摄。图片来源：美国海军研究实验室/SamuelLaGasse石墨烯和TMD单层材料对周围环境都极为敏感。因此，研究人员试图通过将这些材料封装在钝化层中来保护它们。这就是氢溴酸硼的作用所在：氢溴酸硼层能够"筛选"石墨烯或TMD层附近的杂质，从而产生奇妙的特性。在最近由NRL领导的工作中，对发光TMD层周围的hBN厚度进行了仔细调整，以支持光波导模式。波导技术的进步NRL的研究人员小心翼翼地将被称为"范德华异质结构"的二维材料堆叠在一起。这些异质结构因分层而具有特殊的性能。在二硒化钼或二硒化钨等TMD的单层周围放置了hBN板，这些TMD可以发射可见光和近红外线。hBN板的厚度经过仔细调整，这样发射的光就会被困在hBN内并被波导。当光波导到氢化硼的边缘时，就会散射出来，并被显微镜探测到。六边形氮化硼波导的实空间（左）和傅立叶空间（右）光致发光图像。实空间图像显示了样品内部发出光致发光的位置，而傅立叶空间图像则描述了发出光的角度。图片由NicholasProscia于2023年4月拍摄。图片来源：美国海军研究实验室/NicholasProscia这项研究的动力来自于二维TMD光学测量所面临的挑战。当激光聚焦在TMD上时，会产生称为激子的粒子。大多数激子在TMD平面外发光，但在某些TMD中存在一种难以捉摸的激子，被称为"暗"激子，它在TMD平面内发光。NRL的板坯波导可以捕捉暗激子发出的光，从而提供了一种对其进行光学研究的方法。"二维材料具有奇特的光电特性，对海军非常有用，"Lagasse说。"一个巨大的挑战是在不损坏现有平台的情况下将这些材料与现有平台连接起来--这些氮化硼波导是实现这一目标的一步"。NRL研究人员使用两种特殊类型的光学显微镜来鉴定氢化硼波导。其中一种装置允许研究人员从光谱学角度解析波导不同点发出的光致发光。另一种装置可以让他们观察发射光的角度分布。NRL研究人员还开发了波导的三维电磁模型。建模结果为设计未来使用片状波导的二维设备提供了一个工具包。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1420285.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1420285.htm

德国科学家研发出水基电路概念开关 比半导体效率高得多

德国科学家研发出水基电路概念开关比半导体效率高得多现在，波鸿鲁尔大学的研究人员已经开发出一种新型的电路，其开关速度比现有的半导体材料快得多。令人惊讶的是，关键成分是水，其中溶解了碘化物离子。一个定制的喷嘴将这些水扇出，形成一个只有几微米厚的扁平射流。接下来，一个短而有力的激光脉冲被发射到水柱中。这将使电子从溶解的盐中跳出，从本质上提高了水的导电性。第二个激光器可以读回水的状态，提供现有晶体管的"开"和"关"选项。由于激光脉冲是如此之快，水可以在皮秒（万亿分之一秒）的时间内切换状态。这意味着潜在的计算机速度在太赫兹（THz）范围内--也就是1000GHz，这比任何现有半导体的开关速度都快得多。当然，目前这只是一个概念，而基于水的电路究竟如何能够实际扩大规模还有待观察，但这仍然是一个引人入胜的想法。该研究发表在《APL光子学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1335337.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1335337.htm