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2015年度十大“新型”激光器盘点
香蔓 2015-02-17 来源: 网易
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OFweek激光网讯:激光器是一门年轻而神秘的学科,吸引着世界最顶尖的科学团队不停的探索,近年来也一直推陈出新,成果丰硕。现在OFweek激光网编辑就来盘点2015年"十大"新型激光器。(排名不计先后)

1.最短波长的原子级激光器

日本电气通信大学、理化学研究所、东京大学等多个大学和研究机构组成的研究团队,最近成功开发波长为0.15纳米的原子级激光器。据称,该激光器的波长是目前世界最短,比现有最短波长激光器的波长小一个数量级。该研究成果已发表在英国《自然》杂志电子版。

(图片来自百度)

研究团队在20微米厚的铜箔上照射X射线,使其产生X射线激光,从而通过微小材料制成高效X射线激光器。据报道,该X射线激光器的研制成功,首次在硬X射线区实现了利用原子能级差的原子级激光器。该激光器在可视光至近红外光谱有广泛应用,但较难使用于包括X射线在内的短波长领域。

研究团队利用X线自由电子激光设备(SACLA:SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser )去除围绕原子核旋转的电子中最靠近原子核的一个电子,通过几乎同时射入的弱X射线,成功激发了被称为傅立叶极限的理想激光。

2. 2μm波长掺铥光纤激光器

瑞士科学家成功获得 2μm 波长的掺铥光纤激光器,此类型激光器通过简单而且廉价的结构,便消除了对昂贵的隔离器和放大器的依赖(doi:10.1038/lsa.2015.113)。通过设计简洁新奇的 THETA 谐振腔结构,使得光在光纤内能够错向传输,实现激光单向传输。此种方法不仅价格便宜,而且能够获得比同类激光器更高的输出功率。

2μm 波长的激光器是其投入应用的关键技术。水中 O-H键的第一振荡频率的吸收波长在 1.92-1.94μm 范围,这使得 2μm 波长技术能够用于"无血"的激光手术,其中水分子在组织分血液中能够缩小切口且快速凝固。大气中 H2O、CO2 以及 NO2的多重吸收线也位于这个区域,给气象学、环境科学以及农业科技带来巨大的潜力。除此之外,在自由空间通信、材料加工以及光谱测量也有一定的应用。

瑞士洛桑联邦理工学院的光子系统实验室的电气工程教授

Camille-Sophie Brès及其博士生Svyatoslav Kharitonov

目前,2μm 波长区域的其他光纤激光器昂贵且笨重,需要光隔离器才能实现光的单向传输。而瑞士洛桑联邦理工学院的光子系统实验室的电气工程教授 Camille-Sophie Brès 及其博士生 Svyatoslav Kharitonov,利用一个环形纤维空腔 THETA谐振腔,在一个S 形的反馈中引入了不可逆的损失。隔离器通常是采用笨重的法拉第旋转和一个45°正交偏振器来抑制光的后向传输,而 THETA谐振腔通过间接地结构变实现了这种功能。

该设计在空腔中还包括了一个非线性放大镜保证了发射光谱的窄线宽,在1900nm-2050nm 波段范围内,产生的激光束能维持子瓦级的输出,同时线宽只有0.2nm。研究人员表示将继续优化激光器以实现高质量且稳定的激光输出。

 

3. 薄如原子的激子激光器

二维激子激光器的实现向下一代超紧凑光子和光电子器件迈出了重要一步,美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室的科学家将单层二硫化钨嵌入到特殊的微型磁盘谐振器中实现了可见光波段的明亮激子激射。

伯克利实验室材料科学系主任Xiang Zhang说:"我们从二硫化钨的单分子层观察到了高品质的激子激射,标志着向用于高性能光通信和计算机的二维光电芯片迈出了重要一步"。

二维过渡金属二硫化物(TMDCs)在光与物质相互作用上显示出非凡的激子特性,如果材料薄到单层这种特性能引起电子能带结构的量子限制和晶体对称作用。然而,对于二维激射,微腔的设计和制造提供了高光学模式限制因子和高品质Q值。

在这项新研究中,Zhang和他的团队的微腔技术将等离子体改为激子,在单层分子内使光激发单层电子/空穴对。

"我们的激子激光器,放弃了金属涂层,设计了支持电介质回音壁模式而不是电浆模式的微盘谐振器,具有低损耗高Q因子,"共同第一作者Ye介绍,"当单层二硫化钨作为增益介质夹在两层电介质之间时,我们创造了潜在的超低阈值激射。

4. 异质集成III-V族/硅结构激光器

新加坡科研究人员开发出一款紧凑的异质集成III-V族/硅结构激光器,包括硅III-V族脊波导增益,III-V族/硅光垂直互连通路(VIAs)和硅绝缘体(SOI)纳米光子波导截面。这种紧凑型激光器体积小,可集成在芯片上,可用于各种行业且需求巨大,包括数据通信和存储。

III-V族/硅结构激光器可作为芯片光源,具有巨大的吸引力。但要使这类激光器发挥作用,必须严格限制光以最大限度提高激光效率,并与激光器的光波导有效地共享或耦合。

研究人员认为这种新结构器件不仅可以作为硅光电子技术的芯片光源,也作为一个潜在的新技术整合平台。与传统光电系统相比,它提高了制造效率和系统集成度,减少了芯片占用的空间。

 

5. 世界上首台白光激光器

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。

白光激光在彩色显示、特种照明、外科诊断以及白光干涉实验中它大有用处。但一个"整体的"白光激光器却一直没被发明出来。曾几何时,解决这个问题的方法还是用几台独立的激光器来产生原色。而一台激光器可同时输出红绿蓝三原色,就减少了不必要的庞大装置,省去了对光共轴的困难,又节约了成本。尽管目前这台设备与实际应用之间还有点距离,但第一个验证成功的概念仍不可小觑。

6.细胞激光器

科学家通过把混有可被短脉冲光激活的荧光染料的油滴或脂肪滴注入单个细胞,成功地将后者变为微型激光器。这项成果能帮助拓宽将光用于医学诊断和治疗。

该系统由美国哈佛医学院光学物理学家SeokHyunYun和MatjaHumar设计,利用一个细胞内的脂肪滴或油滴反射和放大光,从而产生激光。

此前,Yun报告过一种产生激光的方法,即通过改造细胞,使其表达一种荧光水母的蛋白,然后将单个此类细胞放在一对外反射镜之间。他的最新研究则更进一步,产生了带有独立"激光器"的细胞。

包含荧光染料和蛋白的传统荧光探针拥有相对较宽的发射光谱--约30~100纳米。这限制了能被同时使用的探针数量,因为通常很难从组织中天然分子广泛的背景发射中区分出这些发光源。

波士顿布莱根妇女医院生物工程师JeffreyKarp介绍说,微型激光器能改变这一点,因为它们的发射光谱比较狭窄,处于500~800纳米的范围,而这使得用光标记细胞变得更加容易。"这项工作最重要的影响之一在于能利用单一技术同时追踪上千个细胞。"

Yun和Humar报告说,他们能改变波长,并且利用不同直径的荧光聚苯乙烯微球而不是被注射进去的油滴或脂肪滴标记单个细胞。理论上,利用不同组合的微球和具有不同光谱特性的染料,应当可以使为人体中存在的几乎所有细胞进行单独标记成为可能。

他提醒说,此项技术尚未作好应用于治疗的准备。不过,被改造的细胞最终会被用于定位目标组织比如癌性肿瘤以及只在那个区域存在且被预先装载进去的光敏活性药物。

 

7. 砷化铟中红外带间级联激光器

美国俄克拉荷马大学开发出带间级联砷化铟(InAs)衬底激光器,具有低阈值高电流运行特征。研究人员声称,温度300K阈值电流为247A/cm2的4.6μm波长器件是"有史以来同样波长阈值电流最低的半导体中红外激光器"。

锑化镓(GaSb)衬底带间级联激光器在3-4μm波长范围内取得良好成效。InAs衬底激光器波长为11μm。这些激光器使用重掺杂外覆层创建一个等离子体波导。然而这种激光器至今只验证了脉冲操作模式。研究人员称,奥克拉荷马大学第一次创造出连续波工作模式。

采用n+-InAs覆层等离子体波导的问题是高光吸收损失。一些小组试图在光学限制成本内插入厚(>1μm)无掺杂的InAs单独限制层来降低光学增益,增加电流阈值。为了尝试获得最好的两种方法,奥克拉荷马大学已经在等离子体外覆层和独立约束层之间插入一个中间层。中间覆层将光场推到器件中心部分,并减少外部等离子体覆层中的电场,避免吸收损耗。

采用分子束外延(MBE)在n型InAs衬底上制备半导体激光器异质结构。独立的约束层和中间覆层对称分布在基于多个级联的有源区域附近。中间覆层包括25A/23AInAs/AlSb超晶格结构。锑化铝(AlSb)的3A厚度层是砷化铝(AlAs)的界面用作应力平衡。载流子在中间覆层和激光器的其他部分之间光滑传输,其他部分由过渡/连接桥组成,连接桥由58nm宽InAs/AlSb(As)量子阱构成。

8. 新型多功能金属蒸气激光器

经过数十年的研究,俄罗斯托姆斯克国立大学的科学家取得了重大突破,研发出一种独一无二的多功能金属蒸气激光器。该研究成果应用广泛,涵盖了从药品到通讯科技等各个领域。

世界上第一台多采用途属蒸气激光器将为医疗手术带来革命性改变,更够创造更加高效的工具以及进行大气检测。

这台独一无二的激光器可以在不灼伤或造成任何破坏的前提下切割骨头和组织,或用于手机玻璃切割。它甚至可以分析周围大气中的气体成分,为生态学家所利用。尽管市面上已有多种激光器,尤其是气体激光器,但没有一种能在不同的领域中进行多功能应用。

 

9. 实时可调节等离子体激光器

由美国西北大学和杜克大学组成的联合研究小组利用液体激光增益材料,成功研发出实时可调节的等离子体激光器。

通过传统激光技术,光只能聚焦到其频率的一半,即所谓的衍射极限。对此,科学家们已经找到了突破这一极限的办法,通过建立等离子体激光,将激光束和金属(例如黄金)表面的等离子体(振动表面电子)结合,排在一个阵列中。不过,这种方法也有其局限性,因为它不得不依赖固体激光增益材料,导致激光不易调整,且不是实时的。而美联合研究小组的新研究成果,通过利用一种液体作为激光增益材料的方法,能够达到实时调节激光。

研究人员使用金阵列、等离子体纳米谐振腔阵列和液体染料溶剂作为增益材料,这样就可通过改变染料的折射率改变激光的波长。与以固体为基础的增益材料相比,新成果具有两个主要优势:首先染料能够快速溶解在不同溶剂中,具有不同的折射率,可实时调节激光;其次,因为增益材料是液体,可以通过通道灌入腔体,即可通过使用不同的液体动态改变。

10. 首个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最低温下工作(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。

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