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Laser focus world 评选2019年度20项重要光子技术

发布时间: 2020-03-10 14:18:03   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  Laser focus world2019年第12期报道了该刊评选出来的2019年度具有代表性的20项光子技术,本报摘译如下:

  2019年光子学的进步包括精密制造和测量、生物传感成像以及AI的广泛使用。从2019年开始的Laser Focus World头条新闻包括以下内容:“ AI预测光纤非线性不稳定性中的无赖波“FLIR投资于CVEDIA,以扩大用于自动感应的AI专业知识人工智能推动的面部识别仍然面临技术和法律挑战深度学习为机器视觉带来了新的维度;和“NVIDIA收购Mellanox来推进AI和数据中心计算解决方案。

  在今年的“技术评论”中,《Laser focus world》评选的20篇热门文章中,只有几篇与AI有直接关系。但是,学术界、工业界和政府部门的光学和光子学专家将在接下来的几年中找到AI新的应用领域,从而扩展其应用范围。

  前沿技术

  1.2.业界积极发展硅光子学以使其更加实用,特别是应用于通信领域。2018年取得了许多重要进展,其中美国麻省理工学院的研究小组开发了一种分别组装光子芯片和电子芯片技术,从而实现了更现代的电子产品CMOS制造工艺(以前必须使用光学兼容工艺制造)。 (请参阅硅光子制造最新CMOS工艺20186月, http//bit.ly/2019TechRev1。)荷兰特文特大学的一个研究小组创造了完全硅基芯片光学链路,该链路包含雪崩模式LED和单光子雪崩二极管,可以通过标准CMOS技术制成并嵌入到电子芯片中。(请参阅首次在电子芯片上创建芯片光学链路20192月发行; http//bit.ly/2019TechRev2。)

  3.徕卡公司(德国韦茨拉尔)正在推动人工智能在成像中的应用,该公司推出了雷霆显微镜成像器系列,该系列使用所谓的计算清除功能,可以消除基于相机的荧光显微镜的离焦模糊。该公司还开发了所谓的个人实验室自动助手(PAULA),该助手可以通过连续监测标本分析捕获的图像,并在图像发生变化时自动做出响应。徕卡最近赞助了一项竞赛,利用AI根据细胞器将脊椎动物细胞蛋白的图像分类到不同的类别。(请参阅“ AI开启科学成像新纪元” 20199月发行; http//bit.ly/2019TechRev3。)

  4.制造高级计算机芯片的极紫外(EUV)光刻技术的商业化已经逐渐成熟,荷兰ASML今年出货了许多台EUV光刻机。光刻机的13.5 nm光源由ASML的子公司Cymer提供,Cymer的光源使用德国通快公司的40 kW CO2激光器将锡滴转变为13.5 nm的等离子体。德国蔡司公司为这些机器制造反射光学器件。大反射镜的表面粗糙度优于0.1 nm(见图8)。 (请参阅《重新审视EUV光刻技术》,Laser Focus World在线发布,2019829; http//bit.ly/2019TechRev4。)

  

  8. ASMLEUV光刻扫描仪内部是工作在13.5 nm波长的反射光学系统。 EUV光源位于右下角,遮罩位于顶部。

  5.透射型超表面光学器件由(通常是)平整基板上具有纳米结构特征的阵列组成,实现常规材料不具有的功能,一旦开始商业化,可以代替传统的光学元件或满足某些特定的需求。哈佛大学(马萨诸塞州剑桥市)哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的费德里科·卡帕索(Federico Capasso)领衔的研究小组长期以来一直是这项技术的领导者。今年,SEAS小组展示了一种由非对称纳米鳍片制成的全电介质金属化材料,该材料在整个可见光谱范围内(460700 nm)将光消色差地聚焦,而不会出现像差(见图9)。此外由于偏振不敏感,该超表面透镜透射的光量是其他情况下的两倍。 (请参阅非偏振宽带消色差金属离子聚焦20193月发行; http//bit.ly/2019TechRev5。)

  

  9.排列在金属表面上的亚波长各向异性纳米结构使光聚焦,使透镜效率加倍。

  6.实验室小型化台式激光加速器比传统电场加速器要小巧紧凑得多,后者可以长达数百米。德国达姆施塔特工业大学(TU)的研究人员将实现加速器芯片化(见图10)。 他们使用类似于常规线性加速器的方法,该概念基于电子相对于激光的相位突变,使用超快激光脉冲的电磁场本身将电子聚焦在仅420 nm宽的微型柱状结构通道内,从而实现两列电子束在芯片表面两个方向上交替聚焦和散焦。其潜在用途包括研究、X射线光刻和肿瘤照射。(请参阅《基于激光的微芯片粒子加速器可以使工业和医学受益》,Laser Focus World在线发布,20181126; http//bit.ly/2019TechRev6。)

  

  10.激光微芯片粒子加速器,两行支柱之间的距离仅为420 nm

  生物医疗光学

  7.埃博拉病毒具有致命性和传染性,为有效控制,越早发现它越好。美国罗彻斯特理工学院的科学家们开发了一种小型的荧光便携式仪器,可以在野外快速检测埃博拉病毒。通过连续波488 nm激光和集成了抛物面镜的微流控芯片荧光计分析血滴,其灵敏度可与共聚焦显微镜媲美。从原始血样开始,测试需要15分钟。该设备可以并行筛选24个对象,并在30分钟内处理24个样本。研究人员正在研究一种类似的仪器,该仪器可以检测多种病毒株,例如从埃博拉病毒到流感和寨卡病毒。(请参阅光学设备利用CRISPR-Cas13a技术进行早期埃博拉病毒检测20196月发行; http//bit.ly/2019TechRev7。)

  8.尽管许多DNA分析方法都需要一个称为DNA扩增的过程,在该过程中,通过多次复制微小的DNA样本以增加样本的大小,但由德克萨斯AM大学(学院)的研究人员开发的尖端增强拉曼光谱(TERS)技术甚至可以分析单链DNA,无需扩增。室温TERS方法依靠贵金属探针尖端中的表面等离激元效应-当等离激元与激发波长共振时,尖端附近的强度会大大增强,从而增加拉曼散射并克服衍射极限。每个碱基的DNA测序需要4秒钟。(请参阅《 TERS图像无需扩增的单链DNA》,20193月发行; http//bit.ly/2019TechRev8。)

  9.随着光子学、计算能力以及AI的进步,光学相干断层扫描(OCT)技术正逐步改善。通过算法,计算OCT解决了传统OCT分辨率低的问题,包括景深和横向分辨率之间的折衷平衡、样本和参考路径的色散失配以及光学器件造成的像差。例如,机器学习已用于OCT组织分析,可以分类90%的特异性和91.6%的敏感性的烧伤造成人类皮肤的损害。(请参阅“OCT的创新20193月发行; http//bit.ly/2019TechRev9。)

  10.科学家开发出用于检测疾病、毒素和病原体的生物传感的一种新型的荧光生物纳米材料,即称为DNA稳定的金属量子簇(QC-DNA),它可以用作量子生物传感器,从而有望推动生物传感的发展。该生物传感器由短的DNA序列组成, DNA序列包围着一组615个金属原子(所谓的金属簇)。 DNA序列的选择决定了传感器的特性,例如,它能够检测出哪种疾病。由德国弗劳恩霍夫研究所(Fraunhofer)和莱顿大学物理研究所(荷兰莱顿)合作的Project BioSensing项目正在设计众多量子生物传感器,他们计划扩大规模并为大学医院使用的可行性研究做准备。 (请参阅“Quantum技术有望提供更好的生物传感器20199月发行; http//bit.ly/2019TechRev10。)

  11.通过使用荧光技术来区分良性和癌性组织,可使机器人手术更有效。现在,无标记的时间分辨荧光光谱法和成像技术已经证明了其在多种临床应用中的能力。体内许多生物分子会产生自发荧光,光子吸收与后续发射之间的时间跨度是每个分子的特征,因此可以进行识别。机器人手术公司Intuitive Surgical(加利福尼亚州桑尼维尔)与加利福尼亚大学戴维斯分校(加利福尼亚州戴维斯分校)的研究员Laura Marcu合作,最近进行了一项涉及自体荧光在机器人口腔癌手术中应用的研究。手术结果显示其有效。 (请参阅时间分辨荧光的临床应用20194月发行; http//bit.ly/2019TechRev11。)

  12.美国国家癌症研究所/美国国立卫生研究院的12位研究人员发现了一种新型染料(IRDye700DX),该染料与抗体偶联后对癌细胞具有高度致死性,可进行近红外(近红外)光免疫疗法。NIH已将该专利技术授权给Rakuten Medical公司,该公司已获得FDAFast Track指定,用于3期临床试验,以评估治疗复发性头颈部鳞状细胞癌的疗法。(请参阅“ NIH将杀灭癌症的近红外光免疫疗法授权用于启动20194月发行; http//bit.ly/2019TechRev12。)

  光学与光子学应用

  13.汽车汽油发动机激光点火(LI)是汽车制造商追寻了多年的想法,但是却一直没有达到实用的性能水平和足够小的尺寸。现在,罗马尼亚国家激光、等离子和辐射物理研究所的研究人员,使用纤维耦合的紧凑型钕和铬---石榴石(NdYAG / Cr4 +YAG)激光进行了LI演示,并且接近实现目标(见图11)。与传统火花塞相比,波长为1.06μm的激光脉冲通过蓝宝石窗口以4 mJ的能量和大约0.8 ns的持续时间传递到气缸中,该技术提高了发动机的制动功率并降低了一氧化碳的排放。 (请参阅激光点火从数量上改善汽油发动机的性能20195月号; http//bit.ly/2019TechRev13。)

  

  11.aLI系统的实验设置;(b)配备LI系统的汽油发动机的物理配置。

  14.智能手机光谱仪一直是被广泛研究的对象,因为这种小型便携式光谱仪可用于很多领域的科学研究。由美国威斯康星大学麦迪逊分校的工程师通过这种配置开发的单发光谱仪变得特别小巧、简便,并且成本可能很低。光电探测器阵列上面覆盖有光子晶体平板检测器像素,使每个像素区域具有不同的光谱响应。光谱仪的光谱范围为550750 nm,分辨率为1 nm。(请参阅《单焦点片上光谱仪是智能手机,医疗保健设备和制造显示器的候选者》,《激光聚焦世界》在线[201948]; http://bit.ly/2019TechRev14。)

  15. 小型玻璃非球面镜片小批量模具制造。具有多种形式的模具可以大批量制造高光学质量小型玻璃非球面镜片。中国天津大学微/纳米制造技术中心研究人员(中国天津)创造了一种主轴外轴(OSA)螺旋磨削方法,该方法可用于制造碳化钨模具以生产玻璃非球面和微透镜阵列。为了将多个非球面小透镜阵列研磨到模具中,使用具有xyz平移台和旋转轴的四轴超精密机床完成了主轴外轴螺旋研磨,通过机床轮廓误差补偿分析和后续的补偿研磨可最大程度地提高非球面形状精度。(请参阅主轴外螺旋磨模产生亚微米级精度的非球面微透镜阵列,” 20195月发行; http//bit.ly/2019TechRev15。)

  16.今年,汽车激光雷达取得的许多进展中,美国Lumotive(华盛顿州,贝尔维尤)推出了一种基于反射型光学超表面的光束转向器用于其全固态激光雷达系统。在该器件中,超表面上的液晶涂层允许对其共振亚波长元件进行调谐,以使光束在120°角内转向,具有25μs的随机访问切换时间和最大25×25 mm的孔径。液晶超表面(LCM)是由CMOS铸造厂中的硅材料和常规图案化工艺制成的。Lumotive激光雷达系统包含两个LCM,一个LCM用于发射,一个用于接收,有助于抑制多余的光。 (请参阅元表面光束转向实现固态,高性能激光雷达”,20197月发行; http//bit.ly/2019TechRev16。)

  科学研究

  17.诸如量子密钥分配(QKD)之类的加密所需的真正随机数并不像人们想象的那样容易生成。实际上,计算机甚至使用复杂算法生成的随机数也只是伪随机数。产生真正随机数(例如由激光波动引起)的光子系统以前体积很大,现在东芝欧洲研究公司(英国剑桥)和英国利兹大学(英国利兹)的科学家已经创建了一个基于光子集成电路的小型量子随机数发生器,在增益切换方案中具有两个分布式反馈激光器-它们的片上干涉组合光束提供了真正的随机数生成。(请参阅基于芯片的基于激光的量子设备生成真正的随机数,” 20197月发行; http//bit.ly/2019TechRev17。)

  18.电泵浦有机半导体激光二极管。日本九州大学(日本福冈)的研究人员创造了一种激光结构,该结构包含有机化合物BSBCz薄膜,该薄膜既作为增益介质,又作为分布式反馈谐振器,该装置产生了窄线蓝色连续波激光发射。研究人员已经组建了一家名为Koala Tech的初创公司,以生产电泵浦的有机激光二极管,他们计划将其集成到OLED和有机电子系统中。(请参阅电子泵浦有机二极管激光器实现20197月发行; http//bit.ly/2019TechRev18。)

  19.激光干涉仪重力波天文台(LIGO)升级为高级LIGO时,灵敏度提高了四倍,该升级主要是把铌酸锂(LiNbO3)变为了磷酸钛氧钛(RbTiOPO4RTP)电光调制器。(LIGO的长度和对准感测方案依赖于电光调制器产生的光学边带。)由以色列Raicol Crystals公司(以色列Rosh Haayin)制造的新型非线性光学材料使Advanced LIGO能够在高激光功率下工作(从最初的10 W提升到200 W),而不会发生热透镜效应或损坏(见图12)。 (请参阅“ RTP光学晶体有助于提高LIGO的性能,” 20199月发行; http//bit.ly/2019TechRev19。)

  

  12.该磷酸钛氧钛(RTPQ开关以热补偿双晶配置组装,其中两个匹配的晶体与传播轴成一条直线放置,一个晶体相对于另一个旋转90°

   

  20.激光粒子捕获技术已经用于研究细胞、粒子、分子和原子,它也可以帮助研究原子核。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(新墨西哥州洛斯阿拉莫斯)的研究人员将放射性核粒子悬浮在激光的光阱中,在其衰减过程中,通过位置敏感光电二极管实时测量粒子反冲力的大小、频率以及相关的动能。(请参见``激光悬浮和光阱实现核反冲光谱学''http//bit.ly/2019TechRev20。)

  编译自:https://www.laserfocusworld.com/home/article/14072039/laser-focus-worlds-top-20-photonics-technology-picks-for-2019

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