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Laser Focus World精选2016年20项重要光子学技术

发布时间: 2017-01-10 12:39:47   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  Laser Focus World精选2016年20项重要光子学技术

   

      回顾2016年,Laser Focus World精选20项重要光子学技术,本刊摘译如下; 

  1.抗反射纳米结构激光光学器件商业化

      纳米纹理薄膜抗反射(AR)表面具有宽带宽、制作工艺简单、图案随机化和周期阵列等优点,而成为近年来许多研发主题的热点。前不久,TelAztec公司已经与Edmund Optics公司合作,在Edmund公司的激光光学器件基础上引入商业化的随机图案纳米纹理AR涂层,因为在这些涂层的制造中没有使用不同的材料,所以没有吸收,减少了热透镜问题并且提高了激光损伤阈值。(参见http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-09/features/laser-optics-antireflection-nanotextures-for-laser-optics-go-commercial.html.) 

  2.单片无焦光束扩束器

  

  1具有球形表面(顶部)和凸的非球形表面(中心)的两个单片光束扩展系统

  多年来传统激光扩束器在设计上没有改变,德国耶拿Asphericon公司向市场推出一种新型光束扩展器,其实质是一组独立的单片非球面光束扩展元件(意味着每个元件是厚透镜,其可用作伽利略望远镜且是完整的光束扩展器),因此可以级联放置在一起,甚至可以颠倒,以产生许多不同的光束发射比(参见图1)。 可以添加单独的可调节三元组以校正由波长变化引起的波前像差。(参见http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-01/features/laser-optics-monolithic-afocal-beam-expanders-provide-flexible-capability.html

  3.实用超材料光学

  在过去的一年中,科学家开发了多种超材料透镜和镜子应用于现实生活。中国深圳大学和英国伯明翰大学开发的高效消色差反射面在10°至80°的入射角范围内将光聚焦在可见光谱的三个波长上; 美国哈佛大学和加拿大滑铁卢大学开发的平面可见光反射金属透镜具有0.8的数值孔径(NA),可以三个波长运行,可应用于显微术;哈佛大学和滑铁卢大学开发的低NA(0.05)单色金属透镜可以产生两个高质量单色图像,将光分成左圆偏振分量和右圆偏振分量。(参见 http://www.laserfocusworld.com/articles/2016/06/these-metalenses-are-actually-practical.html.) 

  4. 400W绿光薄盘激光器

  通过腔内二次谐波生成,德国斯图加特大学斯图加特研究所的科学家们改进了德国通快公司供货的厚度130μm、直径15mm、10原子百分比(at.%)掺镱YAG(Yb:YAG)薄盘激光器,使其在515nm波长下产生403W的光束,功率高达300W时其光束质量(m2)<1.35,高于300W时光束质量达1.9。薄盘安装在金刚石散热器上并以969nm波长泵浦二极管; 放置在腔中的15×4×4mm三硼酸锂(LBO)晶体以40.7%的效率将光倍频。(参见http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-01/newsbreaks/green-thin-disk-laser-emits-400-w-cw-in-a-near-fundamental-mode.html

  5. 倍频和四倍激光二极管产生深紫外光

  虽然激光二极管通常在短波长端受限,比可见光范围波长略短,但是德国慕尼黑Toptica公司研究组通过使用安装在棱镜之间的氟硼酸钾(KBBF)晶体以允许晶体达到它们的相位匹配角度而没有全内反射,使外腔二极管激光器(ECDL)发射的光倍频后达到波长193 nm。波长193nm光具有15 mW的峰值功率,线宽低于1 MHz,VUV光谱的模跳跃频率调谐范围大于80 GHz。 这种激光器的其它用途包括深紫外半导体光刻的检查。(参见http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-06/features/novel-lasers-short-shorter-shortest-diode-lasers-in-the-deep-ultraviolet.html

  6. 阿秒范围的可见光脉冲

  通常,科学家使用的可见光谱区域中的最短激光脉冲在2-3fs范围内。现在,德国马克斯普朗克量子光学研究所、路德维希马克西米利安大、德克萨斯A&M大学和俄罗斯莫斯科国立大学的研究人员使用所谓的光场合成器,在可见光区域中仅产生380个阿秒脉冲。该团队由Eleftherios Goulielmakis领导,他率先开发了高谐波发生脉冲技术和科学。然而,这里使用的光场合成方法不同于Goulielmakis的其他方法。(参见http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-03/world-news/visible-light-pulses-are-only-380-attoseconds-long.html

  7. 泽秒脉冲

  美国加利福尼亚大学欧文分校和法国DER-IZEST科学技术学院的研究人员与罗马尼亚Magurele的极端光基础设施核物理(ELI-NP)设施的科学家们合作,计划使用拍瓦激光器 结合相对论等离子体反射镜将近红外(近红外)单周期激光脉冲压缩到泽秒(zeptosecond-zs)状态(见图2)。为了产生zs范围内的脉冲,顶帽轮廓15J单周期近红外脉冲需满足激光驱动等离子体反射镜以相对速度向脉冲推进。其应用范围将包括有效的激光离子加速器、片上真空电子伏特粒子加速器、以及真空中光物质化,其中微秒脉冲实际上打破了“虚拟”基本粒子之间的键,以创建真实的。(参见 http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-04/features/high-energy-lasers-extreme-light-in-zeptoseconds.html

  

  2 泽秒脉冲发生示意图

  8.具有1000倍以上动态范围的CMOS相机

  近年来CMOS成像相机得到不断改进,目前已经可以处理电荷耦合器件(CCD)相机专属区域的一些成像任务。爱尔兰科克大学研究人员创造了一个CMOS摄像机,与传统的CMOS摄像机相比,具有千位(或因子1000)以上的动态范围,他们称之为编码 - 访问光学传感器CMOS(CAOS-CMOS)相机。新相机利用空间和时间/频率域中的电子和光学像素形成“敏捷”像素,其作用于选定区域可观察未见的高对比度特征图像。(参见http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-08/world-news/cmos-cameras-caos-cmos-camera-has-1000x-better-dynamic-range.html

  9. 永远在线手势识别相机

  对于与物联网(IoT)、安全性和其他用途相关的远程电池和/或太阳能成像应用,能够以极低功率运行的相机是重要的,特别期望相机(和相关电子)具有 “唤醒”功能并且仅在需要时操作。乔治亚理工学院的一个研究小组不仅实现了这些目标,而且巧妙地用一个摄像机跟踪低级、广义(非像素)像素的运动,结果可以保留跟踪的关键细节。例如,为了唤醒相机,人可以简单地在空中写“Z”。(参见http://www.laserfocusworld.com/articles/2016/08/low-power-gesture-recognition-camera-is-always-on.html.) 

  10.集成光子器件的算法设计

  传统上,工程师设计任何类型的系统器件,无论是光学、机械、电子还是组合器件,传统的方式都是相同的:1)提出智能和经验的概念; 2)通过计算、讨论精炼概念; 3)测试; 和4)可能重复一个或多个以上步骤。然而,现代迭代,遗传和人工智能(AI)计算机算法提供了一种替代方法:提出参数,并让算法找到解决方案。正如斯坦福大学(Palo Alto,CA)和其他团体的研究人员所证实的,这种方法对于集成光子学非常有利。然而,结果可能看起来有点奇怪(见图3)。(参见http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-03/features/silicon-photonics-design-approach-to-integrated-photonics-explores-entire-space-of-fabricable-devices.html

  

  硅制1550nm光偏振分离器,并嵌入二氧化硅中

  11.光束功率的辐射压力测量

  高功率激光束的功率测量通常随着光束功率变高而更加困难,这是因为用于材料处理的光束只有在功率足够高的时候才能满足加工要求。但是,有什么方法可以使光束功率增长变得更容易呢? Scientech公司推出了一种激光功率计。基于反射镜反射时产生的辐射压力测量光束,仪器已经在500kW入射光束功率下测试,并且使用合适的反射镜可以测量更高的功率。该方法适用于10 kW及以上的光束功率。(参见http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-09/world-news/beam-characterization-laser-power-meter-measures-500-kw-using-radiation-pressure.html.) 

  12.光纤以太赫兹速率传输数据

  由于水蒸气吸收,使用太赫兹辐射的空气中的无线通信是相对短距离的。但是在非线性晶体中混合太赫兹和光辐射允许信号长距离传输,例如,通过光纤。 然而,产生的频率边带可能彼此干扰并使信号杂乱。荷兰拉德波德大学的研究人员现在提出了一种解决问题的光学单边带(OSSB)调制器。 用途将包括传输超高清和虚拟现实图像。(参见http://www.laserfocusworld.com/articles/2016/10/optical-single-sideband-modulator-allows-terahertz-rate-data-transmission-over-optical-fiber.html

  13. LIGO激光/光学系统

  

  4  LIGO检测黑洞合并

  Laser Focus World曾经报道了位于利文斯顿和汉福德的双激光干涉引力波天文台(LIGO)探测器直接检测到引力波的存在(参照图4)。引力波的存在允许人类准确地表征发生在13000亿年前的黑洞合并。但实际上是广泛的研发使这种发现成为可能。用于LIGO干涉仪的光学系统和激光器本身是一个了不起的设计过程。例如,LIGO镜由主激光器加热从而变形,二氧化碳激光器发出的光精确分散横跨反射镜到抵消热变形。(参见http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-04/newsbreaks/co2-laser-precisely-counter-heats-ligo-main-mirror.html

  14 .等离子体反射镜

  人们已经制造了用于产生泽秒尺度激光脉冲的激光驱动等离子体反射镜(尽管不是以相对速度产生泽秒脉冲)。德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学的研究人员利用反向传输激光脉冲产生由周期性微等离子体片阵列组成的瞬态等离子体光子晶体(TPPC),实际上是等离子体薄膜反射镜或滤波器。据研究人员介绍,飞秒到皮秒的脉冲持续时间,TPPC结构可以处理超过常规激光损伤阈值100 000倍的通量值,近似10J / cm 2。(参见http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-09/newsbreaks/transient-plasma-mirror-filter-manipulates-high-energy-laser-pulses.html

  15.快光子神经网络

  光子学能帮助人们实现未来社会人工智能高度自动化、互联网和机器人服务的愿景吗? 毫无疑问,英国麻省理工学院和Twitter公司开发的全光学神经网络原型机将比电子版本快100倍。虽然神经网络最终必须具备线性和非线性操作的能力,但原型机是光学线性操作(使用波导马赫-曾德干涉仪网络)及软件非线性操作。未来版本将使用非线性光学设备,使得所有计算都通过光单独完成。(参见 http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-11/world-news/integrated-optics-all-optical-neural-network-can-be-100-times-faster-than-electronic-versions.html.) 

  16.望远镜的光学放大

      所有的光学器件都必须面对衍射极限。天文学也不例外:对于任何光学望远镜,接近衍射极限是理想状态,而对于地基望远镜,通常使用自适应光学器件来实现。然而,根据英国剑桥大学和以色列理工学院研究人员的研究结果,衍射极限仅适用于独立光子,对于相干或纠缠光子的集合,极限可能会更小。基于受激发射他们提出了一种望远镜,其中激发原子放置在望远镜内。受激光子仅在一定尺寸以上爆发,这将降低灵敏度,从而需要更长的曝光时间。 (参见http://www.laserfocusworld.com/articles/2016/07/optical-amplification-for-large-astronomical-telescopes-could-overcome-the-diffraction-limit.html.) 

  17.用激光重新附着神经

      生物医学领域中更具挑战性的工作之一是人类手、肢体、面部等的移植或重新附着,使得受体的一些神经再生进而恢复知觉。同样的挑战存在于神经损伤较轻的部位。虽然神经可以自然再生,但需要更确定的方法来重新附着神经。加拿大阿尔伯塔大学的一个研究小组使用近红外飞秒激光完成健康体细胞(主要神经细胞体)和轴突(连接其他体细胞、树突或轴突到细胞本体的扩展)的“融合”。脉冲产生交联,形成必需的强、共享的磷脂双层。(参见http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-04/newsbreaks/femtosecond-lasers-weld-neurons-back-together.html.) 

  18.显微操控研究心脏细胞

      心肌细胞的研究,包括机械功能的研究,对于了解心血管疾病很重要。包含机械控制器的光学显微镜用于测试肌细胞的营养缺陷型收缩(肌细胞缩短)和等轴力(不涉及物理缩短)具有更好的操纵能力。美国IonOptix公司推出的MyoStretcher系统高度敏感测量细胞运动,最佳视角移动获得单个肌细胞。Siskiyou公司的两个x-y-z微操纵器提供运动能力。(参见 http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-09/issue-9/cell-biology-cardiology-ultra-stable-micromanipulators-enable-nanoscale-force-measurement.html) 

  19.无创屈光手术

      激光辅助原位角膜磨镶术(LASIK)屈光眼科手术帮助数百万人摘掉眼镜(或至少从三光镜切换到双光眼镜)。然而,在LASIK中,在激光辅助角膜成形之前,必须切割和剥离外眼覆盖物以便侵入性手术。美国罗切斯特大学和Clerio Vision公司的科学家开发出替代方案,使用飞秒激光在角膜内完全无创地诱导折射率变化(LIRIC)。令人惊讶的是,该程序也适用于隐形眼镜和眼内透镜(IOL),外科医生用它来替换在白内障手术期间移除的混浊透镜。在找到所需的校正之后,可以使任意形状的补偿光学轮廓经由LIRIC写入角膜。目前,项目计划进行人体试验(首先是盲人)。(参见http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-11/issue-11/ophthalmology-femtosecond-lasers-liric-next-generation-refractive-laser-surgery.html) 

  20.超分辨率显微镜精度达5nm

      超分辨率显微镜已经变革了生物医学显微镜,允许科学家以远远低于衍射极限的分辨率对生物结构成像。今年,美国哈佛大学的研究人员已经推动了这项技术的极限,他们开发了离散分子成像(DMI),使得DNA特征尺寸达到5纳米,可分辨单分子结构(参见图5)。该技术基于反复结合和解除结合的短DNA链,对每个精选短链产生容易辨别的速率。研究人员说DMI补充了目前的结构生物学方法,如x射线晶体学和冷冻电子显微镜。(参见http://www.bioopticsworld.com/articles/2016/07/method-pushes-super-resolution-microscopy-to-distinguish-individual-features-in-single-molecules.html.) 

   

  

  5.离散分子成像(DMI)技术可视化

  一凡编译自:http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-12/features/technology-review-laser-focus-world-s-top-20-photonics-technology-picks-for-2016.html

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