激光反射镜

来自奥地利、美国和瑞士的科学家组成的国际科研团队，研制出了首个中红外波长范围超级反射镜，有望用于测量微量温室气体或用于切割和焊接的工业激光器等领域。研究论文发表于最新一期《自然通讯》杂志。在可见光波长范围内，现有金属反射镜的反射率为99%。在近红外范围，专用反射镜涂层的反射率高达99.9997%；但迄今最好的中红外反射镜的反射率为99.99%，光子丢失率是近红外超反射镜的33倍。人们一直希望将超反射镜技术扩展到中红外领域，以促进很多领域取得重大进展，如测量与气候变化有关的微量气体、分析生物燃料，以及提升广泛应用于工业和医疗领域的切割激光器和激光手术刀的性能等。此次，研究团队研制出的中红外超反射镜的反射率高达99.99923%。为制造出中红外超级反射镜，研究团队结合传统薄膜涂层技术与新型半导体材料和方法，开发出一种新涂层工艺。为此，他们先研制出直径为25毫米的硅基板，然后让高反射半导体晶体结构在10厘米的砷化镓晶片上生长，接着将其分成更小的圆形反射镜，再将这些反射镜安装到硅基板上，得到了超级反射镜并证明了其性能。研究人员指出，这款新型超反射镜的一个直接应用是显著提高中红外气体分析光学设备的灵敏度，可准确计量微量环境标志物，如一氧化碳等。

8月5日，国家自然科学基金委员会发布“十四五”第一批重大项目指南及申请注意事项。其中，2021年数理科学部共发布10个重大项目指南，拟资助5个重大项目，项目申请的直接费用预算不得超过1500万元/项。2021年数理科学部共发布10个重大项目指南如下：“超大型航天结构空间组装动力学与控制”重大项目指南“材料长效使役性能高通量表征的力学理论与实验方法”重大项目指南“活动星系核反馈在星系演化中的作用”重大项目指南“致密天体活动与爆发的宽能段时变与能谱研究”重大项目指南“基于强太赫兹源的声子调控诱导电子新结构与物性研究”重大项目指南“基于铌酸锂薄膜的超高速多维光场调控及其应用基础研究”重大项目指南“粲夸克衰变中标准模型的精确检验”重大项目指南“基于LHAASO实验的粒子天体物理前沿问题研究”重大项目指南“先进核能系统中材料的若干协同损伤作用机理研究”重大项目指南“高精度X射线反射镜的关键科学与技术问题”重大项目指南10个重大项目指南关键内容如下：“超大型航天结构空间组装动力学与控制”重大项目指南一、科学目标瞄准超大型航天结构的减重设计和空间组装需求，提出满足在轨动力学要求的组装结构轻量化设计新理论；建立空间组装过程的“轨道-姿态-结构”耦合动力学新模型，揭示空间组装过程的耦合动力学演化新规律；提出空间组装过程的“轨道-姿态-结构”一体化稳定控制新理论；探索解决超大型航天结构动力学试验“天地一致性”问题的新方案。二、研究内容（一）超大型航天结构的轻量化和可控性设计。（二）超大型航天结构空间组装过程的动力学演化。（三）空间组装过程轨道-姿态-结构一体化稳定控制。（四）空间组装过程动力学与控制的地面模拟试验。“材料长效使役性能高通量表征的力学理论与实验方法”重大项目指南一、科学目标建立基于全场分析的梯度材料表征力学理论，发展多重物性宏微观高通量测试技术，通过结构与性能关系的多尺度机理研究和机器学习，构建材料短时数据与长效使役性能之间的映射关系，实现对其使役寿命的精准预测，应用于具有重要战略意义的高速列车车轴材料和全固态电池材料。二、研究内容（一）基于梯度样品全场分析的高通量表征力学理论。（二）梯度样品宏观层次高通量表征实验方法。（三）梯度样品微观层次高通量表征实验方法。（四）机理驱动的使役行为跨时空尺度映射。“活动星系核反馈在星系演化中的作用”重大项目指南一、科学目标获得不同光度活动星系核风的观测证据、以及风的速度、质量流与活动星系核光度的定量关系；将低红移星系气体的探测深度和中高红移星系的光谱数量提高一个数量级，并结合数值模拟，得到在不同红移处星系以及星系际介质的各种性质，特别是星系的恒星形成率、气体含量、星系际介质的X射线、发射和吸收线，及其与活动星系核反馈的内在关系；发展并完成星系尺度上的高分辨率数值模拟程序，获得不同的反馈模式分别对星系中气体和恒星形成率的影响以及风与辐射各自在反馈中起到的作用；将基于最真实和准确的活动星系核物理，完成一组包含新模型的宇宙学数值模拟，大幅改进目前的宇宙学尺度星系形成与演化研究。二、研究内容（一）活动星系核风的观测研究：反馈的内边界条件。（二）星系尺度上的活动星系核反馈：观测研究。（三）星系尺度上的活动星系核反馈：数值模拟研究。（四）星系外大尺度上的研究：观测约束以及宇宙学数值模拟。“致密天体活动与爆发的宽能段时变与能谱研究”重大项目指南一、科学目标发现几百个伽马射线暴，建立MeV能区高统计性的伽马暴样本，理解伽马暴相对论喷流的伽马射线辐射机制；监测上百例引力波、高能中微子、快速射电暴等爆发现象，揭示它们的爆发机制以及黑洞、中子星等致密天体的并合物理过程和机制；系统地获得十余个吸积中子星双星和黑洞双星的高能X射线时变和能谱演化特征和分类，理解黑洞周围的吸积过程、相对论喷流的产生以及硬X射线辐射机制；测量约十个致密星（中子星或者黑洞）的基本参数（质量、磁场、自转），理解致密天体的基本性质；开展银道面巡天，监视约200个X射线天体的活动，发现致密天体硬X射线新的活动并且开展后随观测证认研究。二、研究内容（一）极端天体爆发的物理机制。（二）黑洞X射线双星系统吸积与喷流过程。（三）中子星X射线双星系统吸积盘与中子星相互作用。（四）河内宽能段的巡天监测和后随观测研究。“基于强太赫兹源的声子调控诱导电子新结构与物性研究”重大项目指南一、科学目标围绕声子调控诱导电子新结构与新奇物性的研究目标，在研究手段上发展必要的突破现有太赫兹光源性能极限的强场产生新方法，实现具有宽频（整体频谱范围覆盖0.1-50 THz）、强场（场强突破GV/m）、高重复频率、频谱连续可调等优异特征的强场太赫兹光源，并通过人工微结构实现太赫兹近场强光场微区再增强条件；重点开展强场下非平衡态电子的多自由度（电、热、磁、光、谷、轨道）动力学物理过程研究，揭示光子与各量子激发在超强太赫兹光场范畴内的相互作用新机理（如电子、声子及光子复合激发机理）；探索实现声子态调控的远离平衡态的新型量子态（如高温超导相、拓扑量子相、Floquet量子态等）及化学反应（如合成氨反应）的远离平衡态相干操控新效应。二、研究内容（一）强场太赫兹源调控电子行为的理论研究。（二）超强太赫兹光场构筑及实验方法研究。（三）强场太赫兹源对量子材料相干调控研究。“基于铌酸锂薄膜的超高速多维光场调控及其应用基础研究”重大项目指南一、科学目标针对片上全域光场快速调控的需求，通过超限制备技术突破铌酸锂薄膜新微纳结构、少层结构加工工艺，利用铌酸锂材料自身的多重特性，实现对光场以及部分相干光场的多维度超高速调控，实现对光场的强局域与非线性调控；发展基于电光效应的人工微结构光场多维调控新方法，并阐明其物理机理。从基础铌酸锂薄膜材料微纳加工技术开始，到片上集成光子器件，最后到片上光场快速调控，建立不同于现有光场调控的新体系。二、研究内容围绕基于铌酸锂薄膜的超高速多维光场调控技术，发展基于电光效应的人工微结构光场多维调控新机理与方法；突破现有微纳加工技术的能力限制，开展铌酸锂薄膜刻蚀机理及微纳芯片制造工艺研究，利用高品质铌酸锂薄膜光场调控芯片实现超高速多维光场调控及其应用。（一）铌酸锂刻蚀机理及铌酸锂薄膜微纳芯片制造技术。（二）铌酸锂薄膜莫尔晶格结构中光场局域及片上非线性增强。（三）铌酸锂薄膜少层微纳体系时空光场多维联合调控。（四）基于铌酸锂薄膜的光场相干性快速调控及应用。“粲夸克衰变中标准模型的精确检验”重大项目指南一、科学目标利用BESIII采集的海量粲强子样本，特别是在3.773 GeV采集的20 fb-1的数据，充分发挥近阈粲强子成对产生、背景低和量子关联等独特优势，开展中性粲介子量子关联特性的研究，精确测量相关不同末态的平均强相位差和CP本征态成分比例，为CKM矩阵的相角的精确测量提供关键参数；精确测量CKM矩阵元和，检验CKM矩阵的幺正性，探索新的CP破坏来源；精确测量粲强子衰变常数和半轻衰变形状因子，与格点QCD理论计算值比较，刻度格点QCD计算，探寻超出标准模型新现象；系统地研究粲强子的强子末态衰变，研究强子谱学和末态相互作用，检验夸克味对称性；研究粲强子衰变，高精度检验轻子普适性，寻找稀有或禁戒的衰变过程，精确检验标准模型理论、寻找超出标准模型的新物理；在理论上发展和完善非微扰能区的格点QCD计算和有效理论模型，理解粲强子弱衰变的动力学，检验相关的唯象模型，提高对粲强子衰变中CP破坏、衰变常数和形状因子等理论预言的精度。二、研究内容（一）阈值处中性粲介子量子关联性研究。（二）粲强子的强子末态衰变机制研究。（三）精确测量CKM矩阵元和粲介子衰变常数。（四）精确测量粲介子半轻衰变形状因子和检验轻子普适性。（五）粲强子衰变中探索新粒子和新相互作用。“基于LHAASO实验的粒子天体物理前沿问题研究”重大项目指南一、科学目标瞄准银河系内1015eV宇宙线起源这一重大问题，基于LHAASO实验数据精确测量每个超高能伽马射线源的辐射能谱、空间分布和时变，联合国内外射电、光学、X射线等设备数据完成相应天体源的多波段观测和分析，建立和优化多波段辐射模型，研究带电粒子在天体中的加速过程与辐射特征，寻找宇宙线起源和加速证据，同时基于LHAASO数据完成银盘弥散伽马射线、膝区宇宙线分成分能谱和宇宙线大尺度各向异性测量，建立宇宙线在银河系内的起源、加速和传播的整体图像。二、研究内容（一）超高能伽马射线源的搜寻与测量。（二）伽马射线源多波段多信使研究。（三）伽马射线源内的粒子加速、辐射与输运过程的研究。（四）星际介质中弥散伽马射线相关物理研究。（五）基于宇宙线的能谱和各向异性测量研究其起源和传播。“先进核能系统中材料的若干协同损伤作用机理研究”重大项目指南一、科学目标瞄准服役于聚变能等先进核能的典型材料，充分利用国内大型托克马克、高热负荷测试和多束离子辐照等装置，厘清高能中子-嬗变氢氦、中子辐照-粒子流-热负荷两类协同损伤作用的耦合机制；阐明多种因素作用下材料遭受的协同损伤效应的机理；建立能够模拟上述协同损伤作用的实验与计算模拟方法；基于计算和实验模拟，实现在聚变堆等综合服役环境下国产低活化钢、氧化物弥散强化（ODS）钢、钨基合金等关键材料的筛选及性能评估。二、研究内容（一）高能中子辐照的离位损伤与氢、氦对材料的协同损伤作用机制研究。（二）高能中子辐照离位损伤与热负荷、粒子流对聚变堆第一壁协同损伤的作用机制研究。（三）多因素协同损伤效应的长时大尺度计算模拟方法建立。（四）聚变中子-氢-氦协同效应的多离子束模拟实验方法建立。“高精度X射线反射镜的关键科学与技术问题”重大项目指南一、科学目标基于超高精度反射镜表面形貌对相干X射线波前传输的影响，研究单晶硅纳米形貌的原子级构建规律，揭示超强X射线辐照下单晶硅材料和薄膜的损伤机理及力热变形机制；建立跨尺度全频谱纳米表面形貌的在线和离线高精度表征方法，发展大尺寸超高精度反射镜的复合加工技术和集成技术，实现相干X射线波前的在线实时操控和自适应主动补偿；形成具有自主知识产权的X射线高精度反射镜的全链条创新技术体系。二、研究内容（一）大尺寸复杂轮廓单晶硅纳米精度表面形貌构造规律研究。（二）全频谱纳米形貌的综合检测评估方法研究。（三）高亮度相干X射线与材料表面相互作用机制。（四）光机集成系统中跨尺度表面形貌的多物理场影响规律研究。

双频激光干涉仪是先进制造业、半导体芯片制造等行业不可或缺的纳米精度的尺子，应用广泛。张书练教授团队（先清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，后镭测科技有限公司），以解决双频激光干涉仪关键技术为线，经近40年坚韧攀登，研究完成了“可伐-玻璃组装式单频氦氖激光器→双折射双频激光器→双折射双频激光干涉仪”的全链条技术，并批产。该技术开国内可伐-玻璃组装式氦氖激光器之先，吹制工艺或成历史。开国内外应力激光腔镜产生双频激光之先，解大频差和高功率不可得兼之难，频率差可以在1～40 MHZ范围选择而功率大于1 mW。双折射双频激光干涉仪测量70 m长度误差小于5 μm，非线性误差小于1 nm，测量速度高于3 m。1 研究背景激光干涉仪是当今纳米时代的长度基准，也是先进制造业（机床、光刻机，航空、航天等）制造的精度保证。制造精度和生产效率越来越高，对激光干涉仪的测量精度和测量速度提出了更高的要求。激光干涉仪的“激光”是（HeNe）氦氖激光器，至今无可替代。传统HeNe双频激光干涉仪存两个难点，成为瓶颈：1）国内外，我们之前，双频激光器靠塞曼效应产生两个频率，频率之差小（在3 ~ 5 MHz之间），频差越大激光功率越小，不能满足光刻机等应用的更大频率差要求（如10、20、40 MHz），频率差大，测量速度高，效率高；2）不论是单频还是双频激光干涉仪，国产还是外购，各型号都有几纳米甚至十几纳米的非线性误差，一直没有找到解决办法。通常，在单频激光器的光增益路径上加磁场后（塞曼效应）就变成双频激光器。可是，相当长的期间，购买到的大部分单频激光器因为常出现跳模，用于单频激光干涉仪时淘汰率很高，此外，加上磁场后单频并不呈现双频，双频激光干涉仪难有好的光源。经近40年坚持，研究打通了单频氦氖激光器→双折射双频激光器→双频激光干涉仪的全技术链条，批产，获得了广泛应用和认可。2 双折射双频激光器及干涉仪的关键和全链条技术2.1 双折射双频激光器置晶体石英片（图1a中的Q双面增透）或有内应力的玻璃元件(图1b中的M2右表面镀反射膜）于激光器谐振腔内，这些元件的双折射使激光频率分裂，一个频率分裂成两个频率，两个频率的偏振方向互相垂直（正交偏振）。反复实验证明，激光器可输出频率差大于但不能小于40 MHz两个频率。如果频率差稍大于40 MHz，在改变（调谐）激光频率谐振腔长（即用压电陶瓷1纳米一步“距”的推动M2改变激光谐振腔长）过程中看到的是一个频率振荡会陡然变成两个频率振荡，而前者功率陡然下降一半，刚升起的频率则获得同样的功率。继续调谐腔长，最早振荡的频率会陡然消失，而后起振的频率功率升高到最大。如果频率差小于40 MHz，两频率则有你无我。图2示出了频率差20 MHz时o光和e光的光强度此长彼消得过程。理论和实验一致。图1 激光频率分裂原理图。（a）晶体石英片Q于激光谐振腔内，（b）激光输出镜为M2右表面，对M2加力使激光反射镜内产生应力图2 频差20 MHz时的强烈模竞争。激光强度随腔长调谐（改变）的实验曲线。理论和实验一致图3给出了两个频率的频率差多大时，在频率轴上两个频率的共存区的宽度，也即两个频率差大小对应的共存频域宽度。曲线最左侧可见，在约40 MHz时，共存宽度迅速下降趋于0 Hz，也即小于40 MHz时，两频率之一熄灭，频率差消失。图3 实验测得的两个频率共存的频域宽度和激光频率差的关系2.2 双折射-塞曼双频激光器塞曼双频激光器的频率差一般在5 MHz以下，功率随频率差增大而减小，7 MHz时的激光功率仅0.2 mW以下。作者团队研发的双折射双频激光器频率差大于40 MHz，研制成的双折射-塞曼双频激光器可以输出百KHz到几十MHz的频率差，而功率不因频率差增大而改变，可以达到1.5 mW。双折射-塞曼双频激光器包括两项关键技术，先由双折射造成激光器频率分裂，决定了激光器输出为两个偏振正交频率以及它们的间隔（频率差）的大小。再因激光器上加了横向磁场，横向塞曼效应使增益原子分成两群——π群和σ群。π群和σ群光子的偏振对应双折射互相垂直的主方向，也即正交偏振的光“各吃各粮”，它们之间的相互竞争不存在了，无论频率差大小都能振荡。频率差可以是3、5、7、10、20、40 MHz或更大。2.3 内雕应力双折射-塞曼双频激光器提出了“内雕应力”的概念和产生双频的原理，即用窄脉冲激光器对激光腔镜表面或基片内部造孔（或穴），造成激光腔镜内的应力精确改变（图4所示），“雕刻”提高了频率差的控制精度。“内雕应力”双折射双频激光器不仅用于国产双频激光干涉仪，也用于运行中的光刻机的激光器替换。同时，提供了科研单位的科学研究。该激光器替换正在服役的光刻机的原有激光器，使光刻机机台误差由24 nm下降到6 nm。图4 内雕应力双折射-塞曼双频激光器。M2内部雕刻出的孔造成激光器的双频，磁条PMF1和PMF2消除激光器强模竞争2.4 可伐-玻璃组装式（无吹制）双频激光器国内，研制生产HeNe激光器历史很长，但我国一直靠吹制工艺制造氦氖激光器，而且不能制造可伐-玻璃组装式氦氖激光器。北京镭测科技有限公司研制成可伐-玻璃组装式单频氦氖激光器，功率大于1 mW，满足单频和双频激光器的需求。同时，这一技术将使整个国产氦氖激光器告别吹制，进入一个新的技术高度（如图5所示）。图5 可伐-玻璃组装内雕应力双频激光器（镭测科技提供）2.5 研制成的双频激光干涉仪技术指标作者强调的是，我们有了可伐-玻璃组装式激光器和双折射（内应力）-塞曼双频激光器，双频激光干涉仪有了强力的“心脏”，有了自主可控的基础。团队又全面设计干涉仪的光、机、电、算。时至今日，可伐-玻璃组装式双折射（-塞曼）双频激光器（非吹制）和干涉仪已批量生产，正在满足科学研究和产业的需求。中国计量科学院对双折射-塞曼双频激光干涉仪的测试结果：频率稳定度为10-8，分辨力为1 nm，非线性误差小于1 nm（图6所示），12小时漂移35 nm（图7所示）,70 m长度测量误差小于5 μm。这些数据来自中国计量科学院测试证书：CDjx 2014-2352, CDjx 2018-4810, CDjx 2020-04463等。图6 双频激光干涉仪非线性误差图7 双折射-塞曼双频激光干涉仪12小时零点漂移3 展望在实现“可伐-玻璃组装式激光器”→“内雕应力双折射-塞曼双频激光器”→“双折射-塞曼双频激光干涉仪”全链条技术基础上，进一步发展各种规格的可伐-玻璃组装式激光器，以开拓双折射-塞曼双频激光干涉仪的应用深度和应用范围。