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《自然 光子学》创刊十周年报道

发布时间: 2017-02-10 12:48:48   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  《自然 光子学》创刊十周年报道

   

      为庆祝《自然 光子学》创刊十周年,本期《自然 光子学》选取了八个前瞻性领域进行了展望报道:太阳能电池、量子光学、成像、太赫兹科学、X射线、光通信、有机光电子和等离子体激光。选取4个领域摘译如下: 

  1、极端太赫兹科学

  电磁波谱在0.3-10THz的远红外区域被称为太赫兹频带,是富有科学机遇的光谱窗口,但是目前发展有限。该谱段一直被认为是电磁频谱中最后一个待开发的区域,且时机已经成熟。 

  太赫兹频带有巨大发展前景有以下几点原因:首先,许多分子在此频带处具有结构吸收共振,使得太赫兹光谱成为研究物质的独特工具;第二,THz范围是高频电子产品运行的极限频率;第三,THz波的振荡周期对应于元素化学反应的时间尺度、固体中的弱集体激发、声子的弛豫时间和自由载流子的碰撞时间。 因此,太赫兹科学有机会实现直接影响我们生活的技术,如工业质量控制,国家安全和环境研究,以及医学诊断和治疗。 

  

  图1太赫兹脉冲作为泵来修改目标的原子结构,然后通过X射线散射捕获原子结构的图像。

  阻碍太赫兹科学技术未来发展的主要问题有:(1)缺乏强太赫兹源和敏感的太赫兹探测器;(2)缺乏在该波长范围内工作的商业化光学元件和仪器;(3)强水蒸汽吸收,影响对富水目标的传感和成像,同时限制THz波远程应用时的传播范围。 

  随着太赫兹科学技术自20世纪80年代后期的稳步发展,下一个激动人心的前沿可能是极端THz科学,包括对强THz场与物质相互作用的研究,以及探索非线性太赫兹光谱和成像。然而,为了把握这些机遇,需要开发足够强的、高效的THz源。 

  短脉冲能量激光器通常用于与合适的目标相互作用来产生强的宽带THz脉冲。除了已经建立的用于产生THz波的方法,例如光电导天线和光学整流,新的方法包括:在非线性材料LiNbO3中使用倾斜波前、使用具有巨大电光系数的新有机晶体、双色激光激发等离子体和相干跃迁辐射(表1)。 重要的是,这些方案现在能够产生峰值强度超过MV cm-1的太赫兹场。例如,在气体中具有> 1mJ脉冲能量和<100fs脉冲持续时间的聚焦光脉冲可以产生等离子体,等离子体发射强的(> MV cm-1),高方向性(<6°)和超宽带(在0.1〜10THz 10%带宽)的THz波。使用超短,亚10fs激光激发甚至可以获得更宽的连续光谱带宽,例如从0.1到20-100THz。 

  表1 强太赫兹波产生方法

  

  在太赫兹频率区域中的这种强脉冲可用于实现强场-物质相互作用和广泛的科学现象的研究。潜在的研究课题包括太赫兹场诱导晶格畸变、分子对齐、谐振和非谐振控制、以及瞬态带隙动力学。例如,在1 MV cm-1的场强下,可以研究各种强烈的THz场-物质相互作用,包括分子振动、旋转和自旋进动。此外,强的太赫兹脉冲可以开辟新的途径来了解各种有趣的现象,包括探索太赫兹频率范围内的巨大非线性,THz波的高次谐波产生,测定新型材料的THz非线性响应和对用于遥感的THz波诱导荧光的控制(框图1)。 

  一些国际激光开发计划已经就绪,用于开发极端THz波源。位于加拿大蒙特利尔附近的先进激光光源(ALLS)计划通过开发一套新的系统(输出波长为3μm,频率为500 Hz,单脉冲能量为75 mJ的亚30 fs脉冲),从而对激光设备进行重大升级。在未来,这种激光器应该能够通过使用双色激励从激光诱导等离子体提供峰值场强为30 MV cm-1的THz波。此外,该激光系统将提供同步的THz泵浦-X射线探测能力,其中高亮度、超短、软X射线脉冲与太赫兹脉冲完全同步(图1)。纽约罗切斯特大学激光能量实验室也正在开发一种新的近-中红外波长激光器,目标是提供重复频率为1kHz,持续时间为30 fs的脉冲,脉冲能量为3 J(3 - 5年)和30J(10年)。该激光器的主要目标之一是产生非常强的太赫兹脉冲用于探测太赫兹科学,特别是极端条件下的非线性太赫兹场-物质相互作用。太赫兹科学的未来显然是光明的。 

 

框图1 太赫兹科学的未来机遇

非线性太赫兹过程的超材料。超材料是人工工程材料,可以控制电磁波的振幅,相位和偏振。这样的材料可以被设计为具有大到10-16 m2 V-1的非线性磁化率,远远超过薄膜和块状材料。因此,它们为非线性过程提供了新的准相位匹配能力,并且期望该技术可以提供用于强THz产生和频率转换的有效方法。 

THz量子传感和成像。可见光子可能通过非线性光学过程产生一对纠缠的光子(THz光子和可见光子)。然后,这些光子对可用于如鬼成像技术等应用。在该方案中,THz光子照射目标/样本,但不被任何检测器检测到,而纠缠(或相关)的可见光子由检测器检测,但不与靶相互作用。通过解释可见光子数据可以获得太赫兹光谱或成像数据。该方法受益于可见光子的高检测灵敏度,但是在实验上实现可见光和THz光子之间所需的纠缠度是具有挑战性的。 

时间分辨分子水平成像。具有纳米级空间结构的复杂靶材料的多维光谱表征是具有挑战性的。使用同步的THz泵浦、极紫外/X射线探测脉冲的相干衍射成像提供了有希望的解决方案,如图1所示。  

 

  2未来十年的X射线科学

  本文对X 射线科学技术在接下来十年的发展前景做一个展望。首先简单介绍一下X 射线在过去十年间令人印象深刻的进展。在这段时期,X射线自由电子激光器(XFELs)的问世标志着X射线领域革命性的进步。在2009年,位于美国加利福尼亚州的斯坦福直线加速器中心(SLAC)国家加速实验室的直线加速器相干光源(LCLS)首次输出光子能量为10keV 的硬X 射线。其次是2011年在日本Harima,日本理化学研究所(RIKEN)的SPring-8 埃紧凑型自由电子激光器(SACLA)发射了亚埃波长激光。 

  下一代X射线自由电子激光器

  接下来十年,X 射线科学技术的发展无疑会继续,甚至会加速进行。基于超导加速技术的高重复速率的X射线自由电子激光器的发展,将会使X射线的平均亮度有一个显著的提升(如图2)。位于德国电子同步加速器研究所(DESY)的欧洲X射线自由电子激光器,将于2017年开始运行,其主要部分是最初为国际直线对撞机项目设计的能量为17.5GeV的超导直线加速器。这个仪器每秒将会产生27000个X射线自由电子激光脉冲,是由脉冲间隔为220ns、重复率为10赫兹的、包含2700个脉冲的宏脉冲组成。由于LCLS和基于正常传导加速器的SACLA的重复率通常在100Hz左右,因此欧洲XFEL的平均亮度将提高两个数量级。 此外,SLAC已经开始建造其LCLS-II装置作为LCLS的升级项目。所搭建的4 GeV超导直线加速器将产生重复率高达大约1MHz的,具有均匀脉冲间隔的软X射线自由电子激光脉冲。DESY和SLAC的高重复率X射线自由电子激光器光源将极大的方便检测微妙的结构,超快变化,和天然、人造材料的电子状态。 

  

  图2 红色实心正方形,运行中或关闭的同步加速器辐射源; 红色空心方块,正在运行或计划的同步辐射源; 蓝色实心正方形,XFEL源运行; 蓝色空心方块,正在建设或计划XFEL源。

  别忘了同步加速器

  尽管前面的讨论都是集中在基于直线加速器的自由电子激光器光源的发展,但基于存储环的同步辐射源的发展在未来十年同样很有前景。 同步辐射光源最重要的挑战之一是减少电子束的发射率(即空间尺寸和角展宽的乘积),这是因为光源的亮度与其发射率成反比。 

  X射线光学元件和探测器

  一个关键的挑战是进一步发展高性能的X 射线光学元件。比如说,能够精确控制和调整从样品散射的X射线的光束发散的最先进的镜片技术,这种镜片技术可能对于设计新型高分辨率光谱仪(用于非弹性X射线散射应用)是有用的。结合多个偏转光学元件的立体相干成像方案将使研究人员能够创建具有非常快的时间帧和纳米尺度空间分辨率的3D电影。同时,非线性X 射线光学实验可以转化为实际应用。比如说,使用具有很高穿透性的硬X射线,对轻元素的微弱拉曼信号进行非线性增强将非常有利于对其催化功能进行原位分析。与这些举措并行地,开发新一代X射线探测器是非常重要的,特别是具有高动态范围,低噪声,大像素数和快帧速率的像素探测器。从这些探测器输出的大量数据需要用最先进的信息技术,来进行数据传输、分析和存储。 

  未来光源

  未来一个很重要的目标是发展“桌面”紧凑型X射线自由电子激光器,以满足学术和工业领域对X射线自由电子激光器的巨大使用需求。这要求基于激光等离子体韦克菲尔德加速或介电激光加速的极高梯度(〜GV m-1)的加速器,以及超短周期波动器在发展中的巨大进步。这些方案的主要挑战之一是开发先进的高功率激光器。这些激光器还可用于现有的X射线自由电子激光器和同步辐射光源,以改善纵向相干性或增强输出功率。 另一个挑战是设计极窄带宽的、在毫电子伏特范围内的、非常高重复频率的X射线自由电子激光器光源。 朝着这个方向,已经提出了结合高重复率直线加速器,波动器和X射线光学腔的X射线自由电子激光器振荡器(XFEL-O)方案。或者,如果可以抑制在存储环中循环的电子束的能量传播的不良影响,则直线加速器可以由衍射极限同步辐射(DLSR)源代替。这种类型的基于环的X射线自由电子激光器光源方案,作为后衍射极限同步辐射源,可能成为一个有前途的研究方向。 

  3量子光学,何去何从?

  在量子化技术的背景下,本时代最艰巨的任务之一是建造大规模量子计算机。这一任务取决于一系列先进技术,其目标是超越最先进的常规计算机。 

  在这种情况下,扩展到许多逻辑量子位(这是任何有意义的计算所需的)是一个具有挑战性的任务,图3总结了用于构建量子计算机的可能的路线图。 

  

  图3 量子计算路线图

  开发现实世界量子技术的另一种方法包括拓展现有的实验室能力,以实现对数百个量子位进行任意量子控制和操纵,而无需误差校正。 

  图4给出了在二维光子晶体中,工程化光子介导的原子相互作用的可能实验方案,这种能力将允许模拟长程、奇异多体量子模型。在互补方式中,可以通过由原子的基础晶格产生的强光子-光子相互作用来产生量子电介质。 

  

  图4 接近晶格常数几十到几百纳米的介电结构材料的原子被捕获图示。

  除了计算和通信之外,量子技术在量子计量的设置中发挥突出的作用,其扩展了超精密测量的范围。例如,正在研究超越现有功能的小型量子器件,例如实现在诸如细胞等不利环境中检测几纳米距离处的微小磁场。这种技术可以在生物学和医学中引起变革,并且新的量子传感器将在不久的将来出现在商业市场。其他量子系统也已经被开发,例如改进的重力计,其检测重力场中的非常小的变化,这种改进的重力计可能很快的被用于地下勘探。 新兴的混合技术还可以产生奇异量子态的光子,这可能在显微镜和光刻中应用。 

  一个活跃且非常有前景的领域是原子钟,原子光跃迁提供频率参考以确定时间。最近研制的原子钟精度能达到1018量级,允许极其精确的测量基本物理现象。事实上,我们期望通过采用“自旋压缩”量子态来减少量子投影噪声(这是当前不精确的主要原因),以使原子钟超过电流极限。基于自旋压缩的新型原子钟正在开发中,对于研究自然时间的基本常数的可能变化等基本问题、以及许多其它应用(例如空间导航),都很重要。 

  我们预测量子光学将是每个新兴量子技术的基础,无论是量子器件之间的量子“布线”,还是在量子器件中实现功能和连接。 

  4、通信扩展了其空间

  长期以来,自由空间光(FSO)链路被认为有望用于机载或空间通信。基于不受限制的带宽,同时短的光波长允许使用窄波束,FSO系统可以在长距离上携带显著能量。随着比特率要求的增加,FSO链路已经成为卫星和深空探测器的无线电链路的优先选择技术。 

  FSO系统提供了一种替代解决方案,并可能很快在偏远地区或发展中国家提供接入。到2018年,通过FSO链路互连的中地球轨道上最多12颗卫星的星座计划将向地面提供72条速度为100 Gb s-1的FSO链路。一个实验系统已经通过使用长达300公里的FSO链路来证明在20公里高度的无人机(UAV)的互连,以形成用于无线接入的骨干网络。 

  可以使用任何完整的模式集来充分利用多个空间信道,例如平行高斯波束。然而,在任何长度尺度的FSO系统中,不同发射机-接收机对之间的波束能以可忽略的干扰平行甚至交叉传播,这是一种利用自由空间中可用的许多空间信道的空分复用(SDM)形式。 

  基于微机电系统的光开关利用自由空间来实现具有最小串扰的互连,如上述基于卫星和UAV的FSO系统。 

  婷威编译自:http://www.nature.com/nphoton/focus/10th-anniversary/index.html

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