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    2015年激光領域“十大”技術進展

    來源:本站    瀏覽次數:    時間:2015-12-18 17:53:35

    激光是20世紀以來"四大"發明之一,不論是作為生產制造工具,還是作為科研領域研究媒介,亦或是激光技術本身,都備受科學家矚目,激光技術發展一日千里。下面OFweek激光網編輯就來盤點2015年度"十大"激光技術進展。(排名不計先后)

      1、激光制冷首次實現用激光冷卻液體

      自1960年激光發明以來,它們總是發出熱量,但是這些激光束卻從來沒有用來冷卻液體。

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      華盛頓大學的研究人員首次解決了這個存在了幾十年的難題,他們在現實條件下,實現了用激光冷卻水和其它液體。該團隊利用紅外激光將水冷卻到36華氏度,這是該領域的一項重大突破。

      華盛頓大學的研究團隊選用紅外光作為冷卻激光,實現在生物學領域的應用,因為可見光會對細胞有破壞作用,能夠將它們"曬傷"。他們證實激光也能冷卻鹽水和細胞培養基(在遺傳和分子研究領域常用)。

      為了實現這項突破,華盛頓大學研究團隊使用了商業激光領域常見的一種材料,但本質上卻與激光現象相反。他們用紅外激光照射一個懸浮在水中的微小晶體,激發出一種獨特的光線,這個光線的能量比光吸收的能量要稍微多一點。

      這種高能光從晶體和包圍著它的水中帶走了熱量。首次激光冷卻過程是1995年美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室在真空條件下實現的,近20年后在液體中,再次實現了這個過程。

      到目前為止,華盛頓大學的研究團隊僅僅展示了單一納米晶體的冷卻效果,而激發多個晶體需要更多的激光能。激光冷卻過程目前比較耗能,Pauzauskie說,下一步的研究包括尋找提高效率的方法。

      2、世界首例360度彩色激光全息

       研究人員多年來一直都在致力于真正全息影像技術的開發,來自韓國的研究團隊就取得了成效,成功的制造出了世界首例360度彩色全息圖。這種全息圖可以顯 示全彩色的影像,并且可以從各個角度進行觀看。雖然看起來很簡單,但這項全息技術可以直接營造出一個其實并不存在的對象。

      這種裝置可以 通過一系列高性能彩色激光投射出3英寸的全息圖像,并且在各種顏色激光互不干擾的情況下衍射出復雜的顏色。雖然演示的形象非常簡單,只是一個彩色的魔方, 但是這個魔方可以從任何角度進行觀看,甚至是360度。之前來自麻省理工學院的研究人員曾經開發出了類似的技術,但是圖像有明顯的20度彎曲,而這并不是 一個真正意義上的多角度全息影像。

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      這項360度全息影像是由16個不同領域的科研人員共同研發,并且獲得了不少資金支持。這項研究從2013年開始,最終目標是到2021年實現10英寸的全息電視設備。

      3、世界上首臺白光激光器問世

      自上世紀60年代問世以來,激光已在多個領域"大顯身手",但它一直有一個短板,就是只能發出單一波長的光?,F在,美國科學家解決了這個問題,他們首次研制出了一款能發白光的激光器。研究人員表示,白光激光器比發光二極管(LED)更亮且能效更高,未來將在照明和無線通訊領域發揮重要作用。

       由美國亞利桑那州立大學電子、計算機和能源工程學院的寧存政(音譯)領導的團隊研制出一種新奇的納米薄片。這塊纖細半導體的大小僅為頭發絲的五分之一, 厚度僅為頭發絲厚度的千分之一,其擁有三個平行的部分,每部分能發出紅、藍、綠三原色中的一種顏色的激光。整個設備能發射所有可見光的激光,從紅色到綠色 再到藍色,或兩者之間的任何顏色,當三原色"相遇"時,就出現了白色的激光。

      最新研究讓激光替代LED成為主流光源向前進了一步。激光更亮、能效更高且能提供更精確和生動鮮艷的顯示顏色,可用于計算機和電視屏幕上。研究人員也證實,他們的新型設備能發出比目前的顯示器工業標準多70%的顏色。

      4、歐盟科學家實現量子點激光器新突破

      從2013開始,SEQUOIA項目一直在開發具有較好的熱穩定性、高調制帶寬以及可能產生平面波分復用蜂窩的混合 III-V激光器。

       通過使用硅襯底納米結構異質集成材料,光學濾波器可以直接與異質量子點/量子簇/硅激光器集成制備出線性調頻激光器。與直接調制激光器相比,該激光器有 一個增強的調制帶寬和消光比。作為該技術的一個例子,目的是開發一個總容量400Gbps發射機(16x25Gbps)。

      在該項目的第一個階段,量子點/量子簇材料質量有了明顯的提高,卡塞爾大學最近展示了直接調制比特率達 34Gbps的量子點激光器,創造了新記錄。同時,量子點晶片成功地結合到硅晶片上。

       兩種 PIC 最終示范產品也設計完成,分別是直接調制比特率達 25Gbps 的線性調頻激光器和與級聯環諧振器調節器集成為一體的光梳子雷射。這些PIC使用16波分復用信道便可提供 400Gbps的總容量,以更低的成本提供更好的性能,并通過采用新材料和新集成工藝增強器件性能。

      該項目由 III-V 族實驗室領導,該實驗室在 InP 基光子學和硅基 III-V族混合集成方面有精湛的專業知識。另外兩個德合作伙伴是總部位于多特蒙德的 innolume公司和卡塞爾大學內,這兩個單位在材料和 III-V光電研究方面都創紀錄成果。其他合作伙伴有法國電子與信息技術實驗室;丹麥技術大學光子工程學院;法國雷恩大學福田實驗室。

      5、研究人員用豬皮造出激光器

      哈佛大學的研究人員通過向脂肪細胞注入光,將它們變成微型自足的生物激光器。這項技術被一些科學家認為"非???quot;。研究人員選擇豬的脂肪細胞是因為細胞內包含接近完美的脂肪球(即三酸甘油脂)。

      論文主要作者尹賢錫(Seok Hyun Yun)稱,他的長期目標是將細胞生物激光作為研究工具、傳感器或在藥物治療中使用。除了豬脂肪細胞外,研究人員還發現了其它細胞可以轉變成激光器。

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      研究小組多年來一直在探索以單細胞為基礎的激光,希望在活組織內造出會發熒光的細胞,以便在這些細胞工作時跟蹤它們,深入揭示身體內部機制,比如癌癥是如何開始的。

      以往他們所用的光學共振器都比細胞要大,而新研究所用的共振器非常小,能放在細胞內??茖W家曾把水母細胞中的綠色熒光蛋白引入到人類細胞中,然后用共振腔增強發光。新研究是對這一研究的擴展。

      研究人員誘導細胞"吞下"一種"回音廊式"的共振器,在細胞內部形成一個微小的泡泡--當用一束激光照射時,光會在泡泡內部反射而增強,共振器內的熒光染料就會發光。發出的光波長不同,其顏色取決于泡泡的大小和折射率,就像一個微小的植入式激光器。

      通過這種技術處理可以修改大量細胞。由于細胞發光可以持續一個較長的周期(幾天或幾周),可以在較長時間里識別和跟蹤活組織內的細胞,有望為研究人員提供一種很有潛力的手段,執行細胞內傳感,自適應成像,還可能真正看到腫瘤細胞的生長過程。

      6、中科院獲得高頻激光技術突破

      由中國科學院物理研究所李志遠教授帶領的一個研究小組報告稱,他們已經將能夠發射高頻激光的精密裝置縮小至一塊晶體大小。
     

      這就意味著,目前安裝在戰艦上,用來令熱追蹤導彈失效的大型超快激光發射器的大小可能會縮小至手提包那么大并被安裝在飛機、坦克上,甚至是放置在士兵身上。

      位于北京的清華大學的激光光學教授柳強說,這是一項突破性的成果。

      柳強還說,以前從來沒有人可以利用一個晶體大小的裝置就能發射如此高頻率的激光。他們的技術將顯著簡化發射高頻激光的過程并縮小相關裝置的大小。

      這個小組的部分研究內容發表在美國物理學會的最新一期《物理學評論通訊》上。

      李志遠的小組稱已經解決這個問題。他們用鋰和鈮研制出了一種特殊的晶體,這種晶體能夠將普通激光束轉變為高頻波長最短可達350納米的高頻光波。

      這個小組在他們的報告中寫道,這項技術"指出了一種非常有前景的方法,這種方法能夠極大地提高"激光技術的力量。

      7、科學家首次實現了基于黑磷的光纖鎖模激光器

      深圳大學-新加坡國立大學光電協同創新中心教授張晗帶領的深圳市孔雀創新團隊首次實現了基于黑磷的光纖鎖模激光器,得到了超短脈沖激光的輸出。

      今年5月,張晗團隊研究發現黑磷具有寬帶可飽和光吸收特性,波長范圍可覆蓋可見光到中紅外波段。在激光領域中,具有可飽和吸收特性的器件是組建超短脈沖激光器的關鍵,黑磷的這一特性發現為中紅外超快光學器件提供了可能。該發現發表于國際期刊《先進功能材料》上。

      8、物理學院激光加速器團隊研究取得重要進展

       北京大學物理學院核物理與核技術國家重點實驗室特聘研究員馬文君,德國Jena大學Zepf教授、慕尼黑大學Schreiber教授,以及北京大學顏學 慶教授近期在強場激光加速領域取得了重要研究進展,團隊在前期理論的基礎上首次證實碳納米管臨界密度等離子體透鏡的設想,在美國物理評論快報上發表了題 為"Ion Acceleration Using Relativistic Pulse Shapingin Near-Critical-Density  Plasmas" 【PRL115,064801(2015)】的論文,引起了廣泛關注,并得到PRLEditorSuggestion重點推薦和APS專題報道。

       采用激光作為驅動力加速離子,加速梯度可以達到100GV/m以上,業界認為它將掀起一場新的革命。研究小組在前期的研究中發現超短超強激光與固體靶相 互作用時存在一種激光穩相加速機制,并在實驗中成功地證實了穩相加速機制。團隊前期進一步提出"激光等離子體透鏡"的設想,以用于提高激光的對比度、聚焦 光強和脈沖整形,理論上可以大幅度提高離子的加速效率,對超強激光物理和應用產生重要影響。他們發現如果采用雙層復合靶(微米厚度的臨界密度涂層加納米厚 度的固體密度薄膜),就可以大幅度提高離子的加速時間和有效加速長度。研究團隊進一步在英國RAL-Germini激光裝置上開展了利用納米管泡沫作為臨 界密度等離子體透鏡以增強離子加速效率的實驗,國際上首次證實碳納米管可以作為臨界密度等離子體透鏡來對激光進行脈沖整形,從而進一步提高離子加速效率。

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      激光在納米管等離子體透鏡中的整形過程(左)和離子能譜圖(右)

      9、日本研究出全世界能量最大的激光 高達兩千萬億瓦

       根據國外媒體報道,最近來自日本大阪大學的一個研究小組研制出了目前為止全世界能量最為強大的新型激光,這種激光屬于二類佩塔瓦脈沖激光,能量高達 2000萬億瓦。如果你對2000萬億沒有概念,那么我們可以用更直觀的方式來告訴你,那就是2000000000000000瓦!不過這種超強能量的脈 沖激光只持續了大約萬億分之一秒(1000000000000分之1秒)。
     

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      這種激光被命名為LFEX(激光快速點火試驗),發生長度達到了300英尺。有趣的是,盡管LFEX激光擁有特別巨大的能量,但是想要制造出來卻并不需要特別費事。

      如果你還記得高中的物理知識,就會知道電能(瓦特)是一種能量,而由于大阪大學的團隊讓這種激光持續的時間很短,因此實現能量如此驚人功率大概只需要了幾百焦耳的能量。研究人員通過專門的設備,通過一系列鏡片對原始激光進行不斷放大,最終形成了這種超強的新型激光。

      10、拍瓦超強超短激光放大系統研制成功

      中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室最近研制成功5拍瓦(1拍瓦=1015瓦)超強超短激光放大系統,這是迄今國際最高峰值功率的激光放大系統,為研制10拍瓦超強超短激光裝置奠定了重要的技術基礎。相關研究成果發表于《光學快報》。

       研究人員基于鈦寶石晶體和啁啾脈沖放大(CPA)技術,于2013年研制成功2拍瓦超強超短激光放大系統,為當時國際最高峰值功率的激光放大系統。隨后 又首次實現了百焦耳以上能量水平的寬帶(70納米)激光放大輸出。該激光放大系統是目前國際最高峰值功率的激光放大系統。大口徑高增益鈦寶石放大器寄生振 蕩抑制技術的成功突破,為研制基于鈦寶石CPA放大的10拍瓦激光裝置奠定了重要的技術基礎。

      2015年被聯合國定義為"國際光年", 以紀念千年來人類在光領域的重大發現。激光作為一門年輕的科學,近年來在應用及科研領域成果豐碩,激光涉及的領域也不斷被拓展,在世界范圍內掀起了一陣" 光"熱。今年,中國提出了"中國制造2025",推動制造業向智能制造轉化。激光作為先進制造的代表性工具,在工業應用方向已發展的較為全面,技術也較為 成熟,未來市場也越來越大。另外,激光的特性可以創造特殊的實驗環境,推動其他領域的科研發展??梢哉f,激光技術成了一個國家科技發展水平和制造業發達程 度的重要體現。中國的激光理論一直處在世界前沿,近年來從理論到應用領域也有了長足的進步,和國際領先水平的差距逐漸縮小,相信未來激光技術還會取得更多 的突破。

     

     

     

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