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2015年激光领域“十大”技术进展

2015-12-18 21:54:30 深圳鑫锐光 阅读

   激光是20世纪以来"四大"发明之一,不论是作为生产制造工具,还是作为科研领域研究媒介,亦或是激光技术本身,都备受科学家瞩目,激光技术发展一日千里。下面OFweek激光网编辑就来盘点2015年度"十大"激光技术进展。(排名不计先后)

  1、激光制冷首次实现用激光冷却液体

  自1960年激光发明以来,它们总是发出热量,但是这些激光束却从来没有用来冷却液体。

激光应用,激光制冷首次实现用激光冷却液体

  华盛顿大学的研究人员首次解决了这个存在了几十年的难题,他们在现实条件下,实现了用激光冷却水和其它液体。该团队利用红外激光将水冷却到36华氏度,这是该领域的一项重大突破。

  华盛顿大学的研究团队选用红外光作为冷却激光,实现在生物学领域的应用,因为可见光会对细胞有破坏作用,能够将它们"晒伤"。他们证实激光也能冷却盐水和细胞培养基(在遗传和分子研究领域常用)。

  为了实现这项突破,华盛顿大学研究团队使用了商业激光领域常见的一种材料,但本质上却与激光现象相反。他们用红外激光照射一个悬浮在水中的微小晶体,激发出一种独特的光线,这个光线的能量比光吸收的能量要稍微多一点。

  这种高能光从晶体和包围着它的水中带走了热量。首次激光冷却过程是1995年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室在真空条件下实现的,近20年后在液体中,再次实现了这个过程。

  到目前为止,华盛顿大学的研究团队仅仅展示了单一纳米晶体的冷却效果,而激发多个晶体需要更多的激光能。激光冷却过程目前比较耗能,Pauzauskie说,下一步的研究包括寻找提高效率的方法。

  2、世界首例360度彩色激光全息图

  研究人员多年来一直都在致力于真正全息影像技术的开发,来自韩国的研究团队就取得了成效,成功的制造出了世界首例360度彩色全息图。这种全息图可以显示全彩色的影像,并且可以从各个角度进行观看。虽然看起来很简单,但这项全息技术可以直接营造出一个其实并不存在的对象。

  这种装置可以通过一系列高性能彩色激光投射出3英寸的全息图像,并且在各种颜色激光互不干扰的情况下衍射出复杂的颜色。虽然演示的形象非常简单,只是一个彩色的魔方,但是这个魔方可以从任何角度进行观看,甚至是360度。之前来自麻省理工学院的研究人员曾经开发出了类似的技术,但是图像有明显的20度弯曲,而这并不是一个真正意义上的多角度全息影像。

世界首例360度彩色激光全息图

  这项360度全息影像是由16个不同领域的科研人员共同研发,并且获得了不少资金支持。这项研究从2013年开始,最终目标是到2021年实现10英寸的全息电视设备。

 3、世界上首台白光激光器问世

  自上世纪60年代问世以来,激光已在多个领域"大显身手",但它一直有一个短板,就是只能发出单一波长的光。现在,美国科学家解决了这个问题,他们首次研制出了一款能发白光的激光器。研究人员表示,白光激光器比发光二极管(LED)更亮且能效更高,未来将在照明和无线通讯领域发挥重要作用。

  由美国亚利桑那州立大学电子、计算机和能源工程学院的宁存政(音译)领导的团队研制出一种新奇的纳米薄片。这块纤细半导体的大小仅为头发丝的五分之一,厚度仅为头发丝厚度的千分之一,其拥有三个平行的部分,每部分能发出红、蓝、绿三原色中的一种颜色的激光。整个设备能发射所有可见光的激光,从红色到绿色再到蓝色,或两者之间的任何颜色,当三原色"相遇"时,就出现了白色的激光。

  最新研究让激光替代LED成为主流光源向前进了一步。激光更亮、能效更高且能提供更精确和生动鲜艳的显示颜色,可用于计算机和电视屏幕上。研究人员也证实,他们的新型设备能发出比目前的显示器工业标准多70%的颜色。

  4、欧盟科学家实现量子点激光器新突破

  从2013开始,SEQUOIA项目一直在开发具有较好的热稳定性、高调制带宽以及可能产生平面波分复用蜂窝的混合 III-V激光器。

  通过使用硅衬底纳米结构异质集成材料,光学滤波器可以直接与异质量子点/量子簇/硅激光器集成制备出线性调频激光器。与直接调制激光器相比,该激光器有一个增强的调制带宽和消光比。作为该技术的一个例子,目的是开发一个总容量400Gbps发射机(16x25Gbps)。

  在该项目的第一个阶段,量子点/量子簇材料质量有了明显的提高,卡塞尔大学最近展示了直接调制比特率达 34Gbps的量子点激光器,创造了新记录。同时,量子点晶片成功地结合到硅晶片上。

  两种 PIC 最终示范产品也设计完成,分别是直接调制比特率达 25Gbps 的线性调频激光器和与级联环谐振器调节器集成为一体的光梳子雷射。这些PIC使用16波分复用信道便可提供 400Gbps的总容量,以更低的成本提供更好的性能,并通过采用新材料和新集成工艺增强器件性能。

  该项目由 III-V 族实验室领导,该实验室在 InP 基光子学和硅基 III-V族混合集成方面有精湛的专业知识。另外两个德合作伙伴是总部位于多特蒙德的 innolume公司和卡塞尔大学内,这两个单位在材料和 III-V光电研究方面都创纪录成果。其他合作伙伴有法国电子与信息技术实验室;丹麦技术大学光子工程学院;法国雷恩大学福田实验室。

  5、研究人员用猪皮造出激光器

  哈佛大学的研究人员通过向脂肪细胞注入光,将它们变成微型自足的生物激光器。这项技术被一些科学家认为"非常酷"。研究人员选择猪的脂肪细胞是因为细胞内包含接近完美的脂肪球(即三酸甘油脂)。

  论文主要作者尹贤锡(Seok Hyun Yun)称,他的长期目标是将细胞生物激光作为研究工具、传感器或在药物治疗中使用。除了猪脂肪细胞外,研究人员还发现了其它细胞可以转变成激光器。

激光应用

  研究小组多年来一直在探索以单细胞为基础的激光,希望在活组织内造出会发荧光的细胞,以便在这些细胞工作时跟踪它们,深入揭示身体内部机制,比如癌症是如何开始的。

  以往他们所用的光学共振器都比细胞要大,而新研究所用的共振器非常小,能放在细胞内。科学家曾把水母细胞中的绿色荧光蛋白引入到人类细胞中,然后用共振腔增强发光。新研究是对这一研究的扩展。

  研究人员诱导细胞"吞下"一种"回音廊式"的共振器,在细胞内部形成一个微小的泡泡--当用一束激光照射时,光会在泡泡内部反射而增强,共振器内的荧光染料就会发光。发出的光波长不同,其颜色取决于泡泡的大小和折射率,就像一个微小的植入式激光器。

  通过这种技术处理可以修改大量细胞。由于细胞发光可以持续一个较长的周期(几天或几周),可以在较长时间里识别和跟踪活组织内的细胞,有望为研究人员提供一种很有潜力的手段,执行细胞内传感,自适应成像,还可能真正看到肿瘤细胞的生长过程。

  6、中科院获得高频激光技术突破

  由中国科学院物理研究所李志远教授带领的一个研究小组报告称,他们已经将能够发射高频激光的精密装置缩小至一块晶体大小。

  这就意味着,目前安装在战舰上,用来令热追踪导弹失效的大型超快激光发射器的大小可能会缩小至手提包那么大并被安装在飞机、坦克上,甚至是放置在士兵身上。

  位于北京的清华大学的激光光学教授柳强说,这是一项突破性的成果。

  柳强还说,以前从来没有人可以利用一个晶体大小的装置就能发射如此高频率的激光。他们的技术将显著简化发射高频激光的过程并缩小相关装置的大小。

  这个小组的部分研究内容发表在美国物理学会的最新一期《物理学评论通讯》上。

  李志远的小组称已经解决这个问题。他们用锂和铌研制出了一种特殊的晶体,这种晶体能够将普通激光束转变为高频波长最短可达350纳米的高频光波。

  这个小组在他们的报告中写道,这项技术"指出了一种非常有前景的方法,这种方法能够极大地提高"激光技术的力量。

  7、科学家首次实现了基于黑磷的光纤锁模激光器

  深圳大学-新加坡国立大学光电协同创新中心教授张晗带领的深圳市孔雀创新团队首次实现了基于黑磷的光纤锁模激光器,得到了超短脉冲激光的输出。

  今年5月,张晗团队研究发现黑磷具有宽带可饱和光吸收特性,波长范围可覆盖可见光到中红外波段。在激光领域中,具有可饱和吸收特性的器件是组建超短脉冲激光器的关键,黑磷的这一特性发现为中红外超快光学器件提供了可能。该发现发表于国际期刊《先进功能材料》上。

  8、物理学院激光加速器团队研究取得重要进展

  北京大学物理学院核物理与核技术国家重点实验室特聘研究员马文君,德国Jena大学Zepf教授、慕尼黑大学Schreiber教授,以及北京大学颜学庆教授近期在强场激光加速领域取得了重要研究进展,团队在前期理论的基础上首次证实碳纳米管临界密度等离子体透镜的设想,在美国物理评论快报上发表了题为"Ion Acceleration Using Relativistic Pulse Shapingin Near-Critical-Density  Plasmas" 【PRL115,064801(2015)】的论文,引起了广泛关注,并得到PRLEditorSuggestion重点推荐和APS专题报道。

  采用激光作为驱动力加速离子,加速梯度可以达到100GV/m以上,业界认为它将掀起一场新的革命。研究小组在前期的研究中发现超短超强激光与固体靶相互作用时存在一种激光稳相加速机制,并在实验中成功地证实了稳相加速机制。团队前期进一步提出"激光等离子体透镜"的设想,以用于提高激光的对比度、聚焦光强和脉冲整形,理论上可以大幅度提高离子的加速效率,对超强激光物理和应用产生重要影响。他们发现如果采用双层复合靶(微米厚度的临界密度涂层加纳米厚度的固体密度薄膜),就可以大幅度提高离子的加速时间和有效加速长度。研究团队进一步在英国RAL-Germini激光装置上开展了利用纳米管泡沫作为临界密度等离子体透镜以增强离子加速效率的实验,国际上首次证实碳纳米管可以作为临界密度等离子体透镜来对激光进行脉冲整形,从而进一步提高离子加速效率。

激光在纳米管等离子体透镜中的整形过程(左)和离子能谱图(右)

  激光在纳米管等离子体透镜中的整形过程(左)和离子能谱图(右)

  9、日本研究出全世界能量最大的激光 高达两千万亿瓦

  根据国外媒体报道,最近来自日本大阪大学的一个研究小组研制出了目前为止全世界能量最为强大的新型激光,这种激光属于二类佩塔瓦脉冲激光,能量高达2000万亿瓦。如果你对2000万亿没有概念,那么我们可以用更直观的方式来告诉你,那就是2000000000000000瓦!不过这种超强能量的脉冲激光只持续了大约万亿分之一秒(1000000000000分之1秒)。

日本研究出全世界能量最大的激光 高达两千万亿瓦

  这种激光被命名为LFEX(激光快速点火试验),发生长度达到了300英尺。有趣的是,尽管LFEX激光拥有特别巨大的能量,但是想要制造出来却并不需要特别费事。

  如果你还记得高中的物理知识,就会知道电能(瓦特)是一种能量,而由于大阪大学的团队让这种激光持续的时间很短,因此实现能量如此惊人功率大概只需要了几百焦耳的能量。研究人员通过专门的设备,通过一系列镜片对原始激光进行不断放大,最终形成了这种超强的新型激光。

  10、拍瓦超强超短激光放大系统研制成功

  中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室最近研制成功5拍瓦(1拍瓦=1015瓦)超强超短激光放大系统,这是迄今国际最高峰值功率的激光放大系统,为研制10拍瓦超强超短激光装置奠定了重要的技术基础。相关研究成果发表于《光学快报》。

  研究人员基于钛宝石晶体和啁啾脉冲放大(CPA)技术,于2013年研制成功2拍瓦超强超短激光放大系统,为当时国际最高峰值功率的激光放大系统。随后又首次实现了百焦耳以上能量水平的宽带(70纳米)激光放大输出。该激光放大系统是目前国际最高峰值功率的激光放大系统。大口径高增益钛宝石放大器寄生振荡抑制技术的成功突破,为研制基于钛宝石CPA放大的10拍瓦激光装置奠定了重要的技术基础。

  2015年被联合国定义为"国际光年",以纪念千年来人类在光领域的重大发现。激光作为一门年轻的科学,近年来在应用及科研领域成果丰硕,激光涉及的领域也不断被拓展,在世界范围内掀起了一阵"光"热。今年,中国提出了"中国制造2025",推动制造业向智能制造转化。激光作为先进制造的代表性工具,在工业应用方向已发展的较为全面,技术也较为成熟,未来市场也越来越大。另外,激光的特性可以创造特殊的实验环境,推动其他领域的科研发展。可以说,激光技术成了一个国家科技发展水平和制造业发达程度的重要体现。中国的激光理论一直处在世界前沿,近年来从理论到应用领域也有了长足的进步,和国际领先水平的差距逐渐缩小,相信未来激光技术还会取得更多的突破。

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