激光波长计

近日，来自安徽科技理工大学、安徽西部大学皖西学院、复旦大学大气与海洋科学学院、上海期智研究院的联合研究团队发表了《通过实施光学条纹噪声抑制方法的激光波长调制光谱技术实现气体测量的高精度和高灵敏度检测》论文。Recently, the joint research team from Anhui University of Science and Technology, West Anhui University, Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, Fudan University, Shanghai QiZhi Institute published an academic papers High precision and sensitivity detection of gas measurement by laser wavelength modulation spectroscopy implementing an optical fringe noise suppression method.可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）已被开发用于痕量气体测量，因其高精度、高灵敏度和无需任何样品准备的原位自校准的独特优势。通常，长光程的多次通过腔体（MPC）被应用于增强基于TDLAS的传感器的检测精度和灵敏度。然而，MPC中出现的意外光学干涉纹严重影响了传感器的检测精度和灵敏度。基于MPC的TDLAS传感器的检测精度和灵敏度通常受到光学干涉纹的限制，这些干涉纹由衍射、镜面表面瑕疵的散射、镜面畸变、热膨胀、冷收缩或应力变形引起。因此，MPC中观察到的光学干涉纹由不同的光学干涉纹组成。这些光学干涉纹主要是由于少量的激光以与主激光束相差ΔL的光程到达探测器所致。这些问题对于TDLAS是普遍存在的，尤其是在使用密集重叠斑点模式的MPC时，提出了一些不同的方法来消除光学干涉纹的负面影响。The Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) has been developed for trace gas measurement, as its unique advantages of high precision, high sensitivity and self-calibration in situ qualification with-out any sample preparation. The multi-pass cell (MPC) with a long optical path is usually applied to enhance TDLAS-based sensor’s detection precision and sensitivity. However, the unexpected optical fringes occurring in the MPC often spoil the sensor’s detection precision and sensitivity seriously. The detection precision and sensitivity of the TDLAS-based sensors containing an MPC are often limited by the optical fringes that result from diffraction, scattering on the mirror surface imperfections, mirror aberration, thermal expansion, cold contraction, or stress deformation. Therefore, the complex optical fringe consisting of different optical fringe will be observed in the MPC. These optical fringes are due largely to a small amount of laser reaching the detector with an optical path length differing by ΔL from the main laser beam. Those problems are common for TDLAS, especially using dense overlapped spot pattern MPC and some di&fflig erent methods are proposed to eliminate the negative influence of the optical fringes.研究团队提出了一种抑制可调二极管激光吸收光谱中光学条纹噪声的新方法，并将其应用于由光学条纹扰动的CH4气体传感器，以提高检测精度和灵敏度。所开发的CH4检测仪的示意图如图1所示。宁波海尔欣光电科技有限公司为此项目提供锁相放大器（HPLIA 微型双通道调制解调锁相放大器），从光电探测器输出的信号发送到锁相放大器，锁相放大器相对于同步信号对2f模式进行解调，锁相放大器的时间常数设为1ms。In this work, a novel method to suppress optical fringe noise in the tunable diode laser absorption spectroscopy is proposed and applied to the CH4 gas sensor perturbed by optical fringes for higher detection precision and sensitivity.The schematic diagram of the developed CH4 detection instrument is shown in Fig. 1 . HealthyPhoton Co.,Ltd provided a HPLIA Miniature dual-channel modulated demodulation lock-in amplifier for this project. The lock-in amplifier demodulates the signal in the 2f mode with respect to the sync signal. The time constant of the lock-in amplifier is set to 1 ms.Fig.1. Schematic diagram of the developed CH 4 detection systemlock-in amplifier (Healthy Photon, HPLIA)对于被光学条纹和随机噪声干扰的20 ppm CH4的二次谐波(2 f)信号，通过该新方法，2f信号的信噪比(SNR)从17提高到182，优化平均光谱范围Δ𝜆 。与未经处理的原始信号相比，CH4测量精度改善了约1.5倍。相应的最小可检测浓度可从3 ppb改善到0.78 ppb。系统的相应噪声当量吸收灵敏度(NNEA)和噪声当量浓度(NEC)分别为6.13 ×10-11 cm&minus 1 W Hz&minus 1/2 and 0.181 ppm。For the 2nd harmonic(2f) signal of 20 ppm CH4 spoiled by optical fringes and random noise, by the novel method, the signal-to-noise ratio (SNR) of the 2f signal is improved about 6.5 times from 17 to 182 with an optimal averaging spectral range Δ𝜆 . A &sim 1.5 times improvement in the measurement precision of CH4 is achieved compared to unprocessed raw signal. The corresponding minimum detectable concentration can be improved from 3 ppb down to 0.78 ppb. The corresponding noise equivalent absorption sensitivity (NNEA) and the noise equivalent concentration (NEC) of the system is 6.13 ×10-11cmW-1Hz-1/2 and 0.181 ppm, respectively.Violet line from traditional averaging method and magenta line from the novel optical fringe noise suppression method.Histogram plot of the 20 ppm CH 4 deviation.20 ppm CH 4 Allan-deviation stability of developed overlapped spot pattern MPC.参考文献：Reference:Yanan Cao, Xin Cheng, Zong Xu, Xing Tian, Gang Cheng, Feiyan Peng, Jingjing WangHigh precision and sensitivity detection of gas measurement by laser wavelength modulation spectroscopy implementing an optical fringe noise suppression method, Optics and Lasers in Engineering 166 (2023) 107570www.elsevier.com/locate/optlaseng

近日，在中国科学院科研仪器设备研制项目的支持下，中科院空天信息创新研究院激光工程技术研究中心基于声光偏转器(AOD)调谐技术和光参量振荡技术(OPO)实现了8.0-8.7μm长波激光的可调谐超快波长切换，波长切换时间优于100μs，波长个数≥70个，单个波长谱宽≤30nm。该激光器能够在长波波段快速扫频且具有极高的峰值功率，将为我国复杂环境中的毒性气体遥测、光电对抗等提供优质的激光光源。光参量振荡技术(OPO)是非线性光学频率变换技术。随着非线性红外晶体制备技术的提升，基于OPO产生高峰值功率高重复频率长波激光成为目前激光技术研究领域的热点。然而，OPO技术通常基于温度、晶体转动、泵浦源波长调节等方式实现激光波长的调谐。项目团队提出基于声光偏转器调节参量光角度和相位匹配条件，进而实现输出波长的快速调节。历时3年，该团队先后突破了2μm激光源、红外晶体及谐振腔镜损伤特性表征、行波腔调谐补偿等关键技术，完成了超快波长切换的宽调谐范围长波固体激光光源的技术验证。后续，项目团队将按照中科院科研仪器设备研制项目的既定目标，开展工程样机研制和应用示范工作。AOD驱动频率与输出的长波激光波长

激光波形探测器/激光波形探测仪型号：BGS-141 BGS-141 型激光波形探测器是针对脉冲激光波形测试而设计的。使用该探测器接收激光,结合速示波器可以准确测量激光脉冲的波形、脉冲宽度。再配合激光能量计测量激光的输出能量可以获得峰值率等参数。探测器选用了速的PIN光电管,具有很好的稳定性。仪器作采用9V电池供电,使仪器轻巧便携。光谱范围有400 ~ 1100nm 或者800 ~ 1600 nm 两种, 用户根据被测激光波长选择其中种响应时间1ns响应度0.8mA/mW (1.3mm处)电源DC 9V 积层电池作环境0 ~ 40 ℃, 相对湿度≤ 80 %

可以用您已用过的任何一款波长计，换取全新的New Focus WM-1210波长计，产品原价基础上立减人民币13000元！活动截止日期：2016年4月1日当您需要精确测量波长时，波长计是一款非常适合的仪器。不需要复杂的光路搭建和设置，仅仅需要您将激光连接到波长计即可使用。型号WM-1210波长范围700 - 1650 nm显示类型Front LCD显示nm, GHz, and cm-1通信接口RS-232, USB 2.0最大输入功率10 dBm (10 mW)重量7.65 kg如有需求，请联系科艺仪器： 中国区代理商科艺仪器 TEL 400 886 0019 Email: info@anp.com.hk

成果名称基于光纤激光器的可见光频率梳、20GHz可见光波段天文光学频率梳单位名称北京大学联系人马靖联系邮箱mj@labpku.com成果成熟度□研发阶段 □原理样机 &radic 通过小试 □通过中试 □可以量产成果简介：光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器，例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、引力波的测量、微重力的测量、系外类地行星的探测等。利用频率梳测量频率时，需要频率梳的频率间隔在200MHz以上，以便波长计数器计量波数。特别地，类地行星观测需要20GHz以上频率间隔的频率梳来定标光谱仪，这个频率间隔一般的光纤激光器无法达到，目前只能依靠法布里-珀罗（FP）滤波装置进行频率倍增。由于FP透射光谱的有限线宽会导致边模泄露，从而影响天文光谱仪的定标精度，因此需要源激光频率梳本身的频率间隔尽量大，以抑制边模。可见，研制高重复频率（大频率间隔）的频率梳已经成为国际激光器和频率梳领域研究的热点和难点。目前该产品的国内市场基本上被德国Menlo System公司生产的基于掺镱光纤激光器的可见光域频率梳垄断，我国亟需研制出具有自主知识产权的光梳设备。2011年，北京大学信息学院张志刚教授申请的&ldquo 基于光纤激光器的可见光频率梳&rdquo 得到第三期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在基金经费支持下，通过关键配件的购置和加工，该项研究得以顺利开展。课题组瞄准研制稳定的、可供频率测量的、基于飞秒光纤激光器的可见光域激光频率梳这一目标，开展了一系列富有成效的工作，包括：（1）搭建高重复频率、1um波长的锁模光纤激光器，作为频率梳&ldquo 种子源&rdquo ；（2）研究初始频率和腔内色散的关系，以得到更高信噪比的初始频率信号；（3）利用合适的色散补偿元件对种子源输出的脉冲进行色散补偿，并进行多级反向放大，使其输出功率满足频率梳要求；（4）试验多种光子晶体光纤，以获得更宽的、覆盖可见光域的光谱。通过以上工作的开展，课题组成功研制出了国际首创的500MHz光学频率梳样机，而Menlo公司同类产品重复频率仅为250M。这一技术的产品化将打破外国公司在国内市场的垄断，填补国内外市场的空白。在第三期项目工作的基础上，张志刚课题组的王爱民副教授申请的&ldquo 20GHz可见光波段天文光学频率梳的研制&rdquo 项目在2012年得到了第四期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在第四期基金的支持下，项目组发展了前期500MHz高重复频率的光学频率梳的研究成果，开展了更加深入的工作，包括：（1）利用FP技术对500MHz重复频率的稳定光梳进行倍频，获得20GHz、1m波段的稳定光学频率梳；（2）对20GHz光学频率梳进行功率放大、脉冲压缩和倍频，实现515nm波段的蓝光飞秒光梳源；（3）利用拉锥光子晶体光纤对飞秒蓝光光梳进行可见光扩谱，达到400-750nm的光谱覆盖。通过这些工作，课题组成功研制出了一套可直接与天文望远镜对接的20G天文光梳频率标准系统，其工作达到该领域国际前沿水平。这两期项目目前已经结题，其成果已进入产品化阶段，科技转化前景良好。相关成果受到了北京市科委的高度重视。课题组瞄准研制稳定的、可供频率测量的、基于飞秒光纤激光器的可见光域激光频率梳这一目标，开展了一系列富有成效的工作。课题组成功研制出了一套可直接与天文望远镜对接的20G天文光梳频率标准系统，其工作达到该领域国际前沿水平。应用前景：光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器，例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、引力波的测量、微重力的测量、系外类地行星的探测等。

中国科学技术大学郭光灿院士团队在微腔光学频率梳的研究方面取得重要进展。该团队董春华教授及合作者邹长铃等人提出一种普适的微腔色散调控机制，实现了光频梳中心频率和重复频率的实时独立调控，并应用于光学波长的精密测量，将波长的测量精度提升到kHz量级。相关研究成果1月12日发表在Nature Communications上。近年来，基于光学微腔的孤子微梳在精密光谱学、光钟、微波光子学、天文学等领域引起了极大的研究兴趣。然而，由于环境和激光噪声以及微腔中额外非线性效应的影响，孤子微梳的稳定性受到了很大的限制，这成为微光梳在实际应用中的一个主要障碍。在之前的工作中，科学家们通过控制材料的折射率或者微腔的几何尺寸以实现实时反馈，从而稳定并调控光频梳，这种方法会引起微腔内所有共振模式同时近乎均匀的变化，缺乏独立调控梳齿频率和重复频率的能力，这大大限制了微光梳在精密光谱、微波光子、光学测距等实际场景中的应用。针对这一难题，研究团队提出了一种新的物理机制实现了对于光频梳中心频率和重复频率的独立实时调控。通过引入两种不同的微腔色散调控手段，该团队能够对微腔不同阶次的色散进行独立控制，从而实现光频梳不同梳齿频率的全部控制。这种色散调控机制对于目前广泛研究的氮化硅、铌酸锂等不同的集成光子平台都是普适的。在实验中，该团队利用泵浦激光和辅助激光分别独立控制微腔不同阶次的空间模式实现了泵浦模式频率的自适应稳定和频梳重复频率的独立调控。基于该光频梳，研究团队演示了对于任意梳齿频率的快速、可编程的调控，并将其应用于波长的精密测量中，展示了具有kHz量级测量精度和多波长同时测量能力的波长计。相比于之前的研究成果，研究团队实现的测量精度达到了三个量级的提高。本研究成果所展示的可重构的孤子微梳为实现低成本、芯片集成的光学频率标准奠定了基础，将在精密测量、光钟、光谱学及通信等领域得到应用。 (a-c)可重构微腔光频梳原理示意图。 (d)波长计的性能演示。中科院量子信息重点实验室博士后牛睿、特任副研究员李明为论文共同第一作者，董春华教授、邹长铃教授为论文通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、中科院、量子信息与量子科技前沿协同创新中心等的支持。

可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy， 即TDLAS）是一种红外吸收光谱分析技术，利用分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理，实现高分辨率的分子浓度定量分析技术。TDLAS能够进行原位非接触式测量，并且具有高精度、高选择性等特性，结合波长调制光谱（WMS）和锁相放大等抑制噪声的技术，可以实现ppm甚至ppb量级的痕量气体分子浓度测量。 之前我们已经介绍过锁相放大的工作原理和其在TDLAS中的应用，今天小编就跟大家聊聊WMS背后的科学还有实际的应用方式吧！ TDLAS基本原理及Beer-Lambert定律 了解WMS技术之前，我们先简单复习一下TDLAS的原理：基本方法是通过调谐特定的半导体激光器波长，扫过被测气体分子的特定吸收光谱线，被气体吸收后的透射光由光电探测器接收，经锁相放大模块提取透射光谱的谐波分量，反演出待测气体浓度信息。 为了确定与于目标分子浓度相关的吸收，必须将透射光强度I与入射光强度I0进行比较。这个定量分析的依据来自Beer-Lambert定律： 其中L为光程，α(v) 是由入射光波长和样品中目标分子浓度同时决定的吸收系数。TDLAS技术通过使用Beer-Lambert定律分析吸收光谱的数据，便可以获得分子浓度信息。 图一 TDLAS技术示意图 直接吸收光谱（DAS） 接着，我们来看一下直观的直接吸收光谱（Direct Absorption Spectroscopy, DAS）技术。顾名思义，DAS技术通过检测入射光和透射光强度直接获得光吸收量（如图二），并根据两个信号的比例直接推断出气体特性，典型的DAS方法得到的信号如图三。 图二 DAS示意图：调谐激光器波长扫过被测气体分子的特定吸收光谱线，在吸收峰可以直接看到的投射光强度衰减 图三 直接吸收光谱（DAS）技术的典型透射光强度信号 图三也显示了DAS的潜在问题，其相对简易直接的性质使得DAS对许多噪声源敏感。各种高强度的噪声可能源于激光强度波动、激光波长波动（如果激光波长在吸收曲线内波动，也会导致透射光的强度波动）、探测器噪声、散粒噪声（光子噪声）和其他技术噪声。如果吸收谱线足够强，即吸收物质的浓度足够高、提供足够的信噪比 (SNR)，则可以使用DAS进行准确测量。然而，检测低浓度的气体分子需要进一步减少吸收接收信号中的噪声，WMS就是一种在TDLAS技术中广为应用来抑制噪声的方法。 波长调制光谱（WMS） WMS能够改善DAS在信噪比较差的环境中的局限性。将入射激光的波长用一个相对较高频率的载波（通常约为10 kHz）进行调制（如图四），并且将吸收光谱信号以调制频率或该频率的谐波进行解调评估分析，获取特异但有规律可循的谐波波形，从而获取分子浓度信息。由于噪声的影响主要存在于低频，例如二极管的1/f噪声或机械噪声，WMS技术将吸收光谱的检测转移到到了信噪比较优的高频，以此达到抑制噪声的目的。 图四 WMS示意图：调制入射激光的波长至较高频率，将接收端信号以调制频率的谐波进行解调分析 WMS的实现是通过调制可调谐半导体激光器的注入电流，以达到对激光输出的波长和强度的高频调制，并将吸收信号移到了更高的频率。其中，TDLAS系统的线性响应（激光器的线性强度调谐）以调制频率的一次谐波为中心，系统的非线性响应（例如吸收和非线性强度调谐）则反应在调制频率的二次及更高次谐波，因此可以透过对高次谐波信号的分析来提取光谱吸收信息。一般来说，二次谐波分析足以满足大多数的气体分析要求。 要提取并分析在已知载波频率的高频信号，锁相放大器是一个十分强大的工具。利用锁相放大器可以用来创建指定频率的带通滤波器，如果带宽足够窄，便能抑制宽带噪声，所以用于调制的频率必须避开主要的噪声频率。（点击这里了解锁相放大器在TDLAS系统中的功用） 除此之外，WMS技术还提供了另外一种选择，能够通过频分复用的方法同时发射传播多个不同波长的激光。多个激光以不同的频率调制并收集在单个探测器上，谨慎选择的调制频率能够尽量避免谐波重叠或拍频干扰，最终每个激光信号都可以由独立的锁相放大通道器提取。利用昕虹光电数字电路实现的双通道锁相放大器，使得实现这样的一个多组分分子一体化探测系统变得经济而简单，实现对多个目标分子（如多种温室气体N2O,CH4,CO2等）同时进行测量。 参考文献：1. “Absorption spectroscopy”, http://www.atomic.physics.lu.se/fileadmin/atomfysik/Education/Elective_courses/FAF080_AtomoMolekylSpektr/Lab_absorption_spectroscopy_2017.pdf2. Christopher Lyle Strand, 2014, ‘Scanned Wavelength-Modulation Absorption Spectroscopy with Application to Hypersonic Impulse Flow Facilities’, PhD thesis, Standford University, USA.

激光在光子芯片、激光显示、车载雷达等领域具有重要作用。有机材料具有分子多样性、能级丰富性、异质相容性、易加工性等优点，在高性能、多功能激光器构筑方面具有显著优势，有望进一步革新激光技术与应用。目前，有机激光器依赖大尺寸脉冲泵浦源，不利于功能器件集成，限制了有机激光的应用范围。因此，发展有机连续波激光器具有重要的科学意义和应用价值，而有机连续波激光材料是这一领域的关键。 近年来，中国科学院化学研究所光化学院重点实验室赵永生课题组致力于有机激光材料方面的研究，在低阈值激光材料设计、高品质微腔合成、准连续波激光器件构筑等方面开展了系统性的研究工作。近日，化学所赵永生课题组和董海云课题组开发出金属键连有机二聚体提高有机分子的拉曼增益的策略，基于有机微晶受激拉曼散射，实现了连续波激光出射。 目前，鲜有关于有机材料在连续波拉曼激光方面的研究。有机分子的可设计性为增强拉曼增益系数进而实现连续波拉曼激光提供了机遇。该研究开发出金属-有机配位合成有机二聚体的策略，诱导有机官能团的寡聚效应和刚性效应，可超线性地提高有机分子在金属连接体附近振动模式的拉曼增益系数，为实现有机连续波拉曼激光提供了可能。科研人员选择具有拉曼活性和孤对电子配位位点的三苯基氧化膦（TPPO）作为模型有机化合物，以二价金属卤化物——氯化锌（ZnCl2）作为金属连接体，通过金属-有机配位反应合成有机二聚体（ZnCl2(TPPO)2）。科研人员发展了一种热饱和溶液分子自组装的方法，制备了高质量有机单体和二聚体微晶。相比于有机单体微晶，金属键连有机二聚体微晶展现出显著增强的自发拉曼散射，对应于大幅提高的拉曼增益系数。不同于有机单体微晶，金属键连有机二聚体微晶支持低阈值连续波拉曼激光。同时，相比于有机单体微晶，金属键连有机二聚体微晶具有更高的稳定性，可确保连续波拉曼激光器长时间稳定运行。受激拉曼散射作为一种三阶非线性效应本身支持激光波长调谐。且有机二聚体微晶具有大的光学带隙，展现出非常宽的透明窗口（360~1580nm）。因此，科研人员通过调控激发光波长，在有机二聚体微晶中实现了可见-近红外范围内多个波长的激光出射（422、465、562、678、852、1190nm）。金属键连有机二聚体策略可显著提升有机分子拉曼增益系数和有机微晶材料稳定性，为探索有机连续波微纳激光器提供了新平台。 相关研究成果发表在《德国应用化学》上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部和中国科学院的支持。化学所有机连续波激光研究取得进展

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。

成果简介2021年8月，南开大学庞代文教授课题组在国际期刊J. Am. Chem. Soc上发表论文：Breaking through the Size Control Dilemma of Silver Chalcogenide Quantum Dots via Trialkylphosphine-Induced Ripening: Leading to Ag₂Te Emitting from 950 to 2100 nm，提出配体诱导量子点熟化生长策略，实现银硫族（Ag₂Te）量子点发射波长从950nm到2100nm连续可调。背景介绍银硫族量子点（Ag₂X X=S, Se, Te）是一类窄带隙半导体纳米晶体，由于其具有近红外荧光发射、高稳定性以及低生物毒性等优异性质，作为近红外二区荧光活体成像的荧光材料，在生物医学研究中有着良好应用。理论上，银硫族量子点中的Ag2Se以及Ag2Te量子点的荧光发射波长能够覆盖整个近红外波段。然而，目前其发射波长可调窗口很窄，无法在宽范围内连续调节。量子点的发射波长（带隙）可通过控制量子点的尺寸来调节，但对于银硫族量子点，其难点在于：1）带隙太窄，发射波长对尺寸变化特别敏感；2）对其成核与生长机理认识不足。量子点尺寸控制的关键在于控制成核与生长阶段单体的供给。小尺寸量子点合成时，需要控制单体用于成核，且抑制纳米晶的进一步生长。反之亦反。庞代文教授团队发现，三烷基膦能够诱导小尺寸银硫族量子点溶解。基于此发现，可通过改变三烷基膦用量、种类、合成温度等精确调控银硫族量子点的溶解行为，进而调控单体为成核或生长所用，精准实现不同尺寸（发光波长）银硫族量子点合成。图文导读本实验以Ag₂Te为样品，通过在1.6–5.9nm间（幅度(Δr)仅4.3nm）精确调节Ag₂Te量子点的粒径，实现了其发射波长从950nm至2100nm的连续可调（跨度(Δλ)为1150nm）。图1 三烷基膦诱导量子点熟化实现Ag₂Te发射波长从950nm到2100nm连续可调。 图2 量子点表面致密的配体层有效地钝化了表面原子，非辐射跃迁减少，发光效率得到了提升。本工作中，Ag₂Te量子点的荧光发射峰可调范围宽（950-2100 nm），为获得真实、完整的稳态荧光光谱需要使用不同的近红外检测器，以在检测器的最佳响应区间进行测试。对于瞬态荧光光谱，由于近红外样品的量子产率相对可见光样品较低，想要在短时间内完成测试，对激光器的功率有较高的要求。本工作中使用980 nm的脉冲光源（DD-980L, HORIBA）激发样品，荧光寿命曲线用软件（DAS6, HORIBA）拟合，可以快速实现近红外量子点瞬态荧光的测试。仪器推荐Fluorolog-QM，采用模块化设计，针对如AIE、钙钛矿、近红外一区二区荧光探针、稀土纳米发光材料、量子点、光功能材料等热点应用实现个性化配置。激发波长低至180nm起，发射波长可覆盖185~5500nm。全波长范围准确聚焦，无色差，高灵敏度35000:1，高分辨率0.1nm。全套的寿命测试技术（TCSPC、MCS、SSTD和延迟技术），保证了全光谱稳瞬态、延迟光谱测试功能。Fluorolog-QM 模块化稳瞬态荧光光谱仪扫码咨询产品总结展望尽管有着十余年的发展历史，银硫族量子点一直面临着发射波长难以在宽范围内调控的难题。相比于原有的工作，这个工作在合成方法以及涉及的化学试剂上并没有太多的变化，而是从细节出发，发现了之前一直被忽略的现象，并基于这一发现突破了存在多年的调控难题。庞代文教授简介：博士、南开大学化学学院杰出教授、博士生导师、美国医学与生物工程院（AIMBE）Fellow、英国皇家化学会Fellow (FRSC)、南开大学分析科学研究中心主任、全国纳标委纳米光电显示技术标准化工作组组长等。主要从事生物医学量子点研究。联系作者：335388123@qq.com文献信息英文原文标题Breaking through the Size Control Dilemma of Silver Chalcogenide Quantum Dots via Trialkylphosphine-Induced Ripening: Leading to Ag2Te Emitting from 950 to 2100nm发表期刊J.Am. Chem. Soc文章署名作者：Zhen-Ya Liu, An-An Liu, Haohao Fu, Qing-Yuan Cheng, Ming-Yu Zhang, Man-Man Pan, Li-Ping Liu, Meng-Yao Luo, Bo Tang, Wei Zhao, Juan Kong, Xueguang Shao, and Dai-Wen Pang扫码查看文献

近日，中国科学技术大学龙世兵、孙海定研究团队联合武汉大学刘胜教授团队，以及合肥微尺度国家实验室胡伟研究员、香港城市大学He Jr-Hau教授和澳大利亚国立大学傅岚教授，将分子束外延生长的III族氮化物纳米线与无定型硫化钼材料结合，构筑了新型GaN/MoSx核壳纳米线结构，应用于光电化学光探测领域。通过将氮化镓半导体内光电转化过程与该结构在电解质溶液中的电化学反应过程相交叉，成功在纳米线中观察到光波长控制下的光电流极性翻转现象，实现了不同波长可分辨探测功能。该成果以“Observation of Polarity-Switchable Photoconductivity in III-nitride/MoSx Core-Shell Nanowires”为题发表在Light: Science & Applications，并被选为第 11 期封面文章。III族氮化物纳米线具有良好的导热性，载流子有效质量小、载流子迁移率高、吸收系数高、化学稳定性和热稳定性良好等各种优异特性，被广泛应用于晶体管、激光器、发光二极管、光电探测器和太阳能电池等领域，是现代半导体器件领域的重要组成部分。特别地，由于其独特的一维几何形状和大的比表面积，III族氮化物纳米线表现出许多对应体相材料不存在的独特特性。相比于薄膜结构，纳米线生长不受制于晶格匹配生长规则的约束，完美解决了异质外延生长及集成所面临的困境。同时，在III族氮化物纳米线外延过程中，材料内的应力易得到释放，位错则终止在III族氮化物纳米线的侧壁，有效减少了外延材料中的堆垛层错和穿透位错密度。此外，相较于薄膜结构，纳米线中的低缺陷密度可大幅提高纳米线中施主、受主杂质的掺杂效率，具有高效载流子导电特性。并且，得益于其高晶体质量和大的比表面积，纳米线阵列拥有较高的光提取/吸收效率和较强的光子局域化效应。此外，纳米线结构可以通过有效的应变弛豫来缓和有源区内的极化场，显著降低材料内位错密度和压电极化场，增强了电子和空穴之间的波函数重叠。同时，基于分子束外延自发生长的III族氮化物纳米线表面为氮极性，赋予了其较高的化学稳定性。尽管III族氮化物纳米线有诸多优势，然而，仅依靠其固有的物理和材料特性构筑器件，限制了该类材料功能的进一步拓展。通过将纳米线中的经典半导体物理过程与化学反应过程相结合，有望突破传统III族氮化物纳米线的功能限制，拓展新的应用场景。针对上述问题，中科大孙海定课题组利用分子束外延（MBE）技术所制备的高晶体质量氮化镓（GaN）纳米线，开展了系列研究工作。在构建高性能光电化学光探测器的基础上[Nano Lett., 2021, 21 (1): 120-129 Adv. Funct. Mater., 2021, 31 (29): 2103007 Adv. Funct. Mater., 2022, 2201604 Adv. Opt. Mater., 2021, 9 (4): 2000893 Adv. Opt. Mater., 2022, 2102839 ACS Appl. Nano Mater., 2021, 4 (12): 13938–13946], 通过将光电化学光探测器中载流子的产生、分离及传输过程与电子和空穴在半导体表面/电解液界面处的氧化/还原反应过程相结合，实现了载流子输运过程的有效调制，在该器件中观察到独特的双向光电流现象[Nature Electronics, 2021, 4 (9): 645-652 Adv. Funct. Mater., 2022, 2202524 Adv. Funct. Mater., 2022, 32 (5): 2104515]。上述工作中，实现双向光电流的必要条件之一是利用纳米线表面贵金属修饰策略，改善纳米线表面的载流子分离效率及化学吸附能。如何利用纳米线独特的一维几何形状和大的比表面积特性，将其与其他低成本、易合成的功能材料相结合，是实现对贵金属材料的替代，降低器件制备成本并进一步提升器件多功能特性的关键。与此同时，为了更好分析双向光电流现象的内部机制，需要探索新的表面修饰手段，以保证复合纳米线结构的均一性，稳定性。作为过渡金属硫属化物材料的一员，近年来，无定形硫化钼（a-MoSx）在实现高效能量收集和转换方面受到了广泛关注。由于其独特的由二硫配体桥接的一维（1D）a-MoSx链结构，丰富的表面活性位点可以与周围环境紧密接触，表现出出色的反应活性，可实现高效的电荷转移和传输。更重要的是，在温和的室温条件下，简单的电沉积方法（循环伏安法）即可以轻松合成a-MoSx材料。通过电沉积法，a-MoSx可以直接包裹于纳米线表面上，实现a-MoSx和纳米线之间的高效耦合，有效改善纳米线表面的载流子分离效率及化学吸附能。在此，我们以实现对不同波长的光分辨探测为目标，提出了一种基于在Si衬底上外延生长的p-AlGaN/n-GaN纳米线构建的光电化学光探测器（图1）。图1 基于纳米线的PEC PD的器件结构和工作原理示意图在光电化学光探测器的工作过程中，光电流响应信号的大小由有效参与氧化还原反应的光生载流子的数量决定，光电流的极性（正或负）则由在半导体/电解质界面发生的化学反应的种类决定。换句话说，通过入射光的波长控制在光电化学光电探测器中占主导地位的化学反应种类（氧化反应或还原反应），可以实现光电流极性的翻转。图1展示了光电化学光电探测器中的基本光电极结构和简化的工作原理。由于设计的顶部p-AlGaN层的带隙较大，它对低能光子（例如365 nm光照）是透明的，对光电探测过程没有贡献，只有n-GaN部分吸收光子并且参与氧化反应，光电探测器呈现正光电流。而在254 nm照射下，顶部p-AlGaN和底部n-GaN部分均能吸收高能光子并于半导体/电解质界面发生氧化反应和还原反应。然而，由于纯p-AlGaN/n-GaN纳米线表面的氢吸附能（ΔGH）不适合实现高效的还原反应（换句话说，还原过程很慢），氧化反应过程仍然在净光电流极性中占主导地位。纯p-AlGaN/n-GaN纳米线，在254 nm照明下产生小的光电流。这表明改变纳米线表面的ΔGH是实现双向光电流的关键。为了在不同波长的光照下实现双向光电流响应，我们选择用a-MoSx修饰III族氮化物纳米线以提高还原反应速率。图2在p-AlGaN/n-GaN纳米线的表面可以观察到一层明显壳层，表明III族氮化物核壳结构纳米线的成功制备。图2无定型MoSx修饰的p-AlGaN/n-GaN纳米线的结构表征。（a）SEM.（b）低倍率TEM.（c）高分辨率TEM图像（d）低倍率STEM图像（标尺 = 100 nm），（e）高角环形暗场（HAADF）STEM图像和（f）环形明场（ABF）STEM图像。（g）STEM-EDS 图像和（h）对应位置的线扫描结果为深入理解表面修饰对光探测性能带来的影响，我们通过X射线光电子能谱（XPS）进一步研究了a-MoSx@p-AlGaN/n-GaN纳米线的化学成分和元素间键合情况（图3a,b）。这些结果与之前对[Mo3S13]2-簇的XPS研究一致，证实了a-MoSx被成功修饰在p-AlGaN/n-GaN纳米线上。图3 （a）(b) p-AlGaN/n-GaN纳米线上电沉积a-MoSx壳层的XPS谱。（c）a-MoSx修饰前后的光响应对比。（d）a-MoSx@p-AlGaN/n-GaN纳米线的光谱响应为了进一步评估纳米线的光响应行为，我们构建了光电化学光探测器。由图3c可知，纯p-AlGaN/n-GaN及无定型MoSx修饰后的纳米线均显示出稳定且可重复的开/关光电流循环。纯p-AlGaN/n-GaN纳米线在254 nm或365 nm光照下则均表现为正的光电流响应，这与图1所示的纯p-AlGaN/n-GaN纳米线的工作原理一致。因其对不同光子能量的入射光子有不同的光响应特性，a-MoSx@p-AlGaN/n-GaN纳米线能够通过表现出不同极性的光电流来区分不同的光波段。如图3d所示，光电流信号在255 nm光照下为负，然后当波长超过265 nm时切换为正，证实了其波段可分辨性能。此外，对可见光照射的光响应可以忽略不计，表明器件具有出色的可见光盲特性。同时，我们还深入探讨了该器件的性能可调性，并利用第一性原理计算揭示了a-MoSx修饰实现双向光电流性能的内在机制。

在国家自然科学基金项目(项目编号：51502175，61575129，11304206)资助下，深圳大学光电工程学院阮双琛教授团队在拉曼纳米激光研究方面取得重要进展，研究成果近期以“A Thresholdless Tunable Raman Nanolaser using a ZnO–Graphene Superlattice(基于氧化锌-石墨烯超晶格的无阈值拉曼纳米激光)”为题发表在Advanced Materials上。论文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201604351/full。　　随着纳米光技术如芯片级光通讯、生物医学成像的发展，人们对激光的研究进入到亚波长范围。亚波长激光如纳米激光的发展主要基于表面等离子体增强发射光技术。一般的纳米激光波长固定，限制了其应用，而拉曼光散射能将泵浦光转变为新的波长。发展新型拉曼纳米激光可以得到波长可调的纳米激光，有可能在应用上取得创新性的突破。　　阮双琛教授团队采用空间限域生长法合成了一种新型石墨烯基超晶格材料，这种石墨烯基超晶格可以在从可见光到近红外光波段较宽的波长范围激发出表面等离子体，光激发该超晶格材料可以得到波长可调的拉曼纳米激光。该拉曼纳米激光具有无阈值、可室温操作、激光波长可调、激光波长覆盖范围广(波段从可见光到近红外光)等特点，有望在纳米光技术如生物医学成像等方面取得应用上的新突破。　　图1(a)超晶格的X射线衍射谱，内图为超晶格侧面结构示意图 (b)超晶格表面高分辨电镜照片，晶面间距2.81?和1.87?可指标为ZnO层，内图为超晶格表面结构示意图 (c)超晶格纳米片侧面高分辨电镜照片 (d)超晶格选区电子衍射花样。 　　图2(a)ZnO的拉曼谱 (b-f)ZnO-石墨烯超晶格在不同泵浦光激发下的激光光谱，对应泵浦光波长分别为b)488nm，c)514.5nm，d)568nm，e)647nm，f)785nm，泵浦功率为3.2kW /cm2 (g) 拉曼散射过程的能级图，其中拉曼振动模V1-V4对应图(a)中的V1-V4，能级图中的四个散射光E1-E4对应拉曼激光中的E1-E4。 　　图3(a)在不同泵浦功率514.5nm激光激发下得到的激光光谱 (b)拉曼纳米激光功率密度随泵浦功率的变化曲线 (c)拉曼纳米激光峰E1-E4的线宽随泵浦功率的变化曲线 (d)不同温度下的拉曼纳米激光光谱 (e)不同泵浦功率密度514.5nm激光激发下E1-E4的激光光谱图。　　图4(a)用于研究ZnO-石墨烯超晶格表面等离子共振的Kretschmann构造示意图 (b)Kretschmann构造得到的ZnO-石墨烯超晶格表面等离子共振反射率曲线，这是由原始数据经过四阶多项式拟合得到的曲线 (c)ZnO-石墨烯超晶格界面对拉曼振动模的高度方向选择性示意图，这是无阈值拉曼纳米激光产生的重要条件。

一、项目基本情况1.项目编号：ZTXY-2023-H21768项目名称：北京理工大学纳米光谱与成像探测系统采购预算金额：700.000000 万元（人民币）最高限价（如有）：700.000000 万元（人民币）采购需求：名称数量单位简要技术要求是否接受进口产品北京理工大学纳米光谱与成像探测系统1套采用散射式近场光学（s-SNOM）设计，近场光学空间分辨率与入射光波长无关，在可见光和红外光波段范围内均能够实现光学超分辨成像，光学空间分辨率≤10nm；是 合同履行期限：合同签订后12个月内交货并安装完毕。本项目( 不接受 )联合体投标。2.项目编号：ZTXY-2023-H21769项目名称：北京理工大学超高速波长调制光学测量系统采购预算金额：765.000000 万元（人民币）最高限价（如有）：765.000000 万元（人民币）采购需求：名称数量单位简要技术要求是否接受进口产品北京理工大学超高速波长调制光学测量系统1套包括4个模块即激光器主机模块、调频模块、锁频模块以及测量分析模块，需保证模块间的互相协作及集成整合，可针对爆轰反应流场的多物理参数是 合同履行期限：合同签订后6个月内交货并安装完毕。本项目( 不接受 )联合体投标。二、获取招标文件时间：2023年12月04日 至 2023年12月11日，每天上午8:30至12:00，下午12:00至16:30。（北京时间，法定节假日除外）地点：北京市朝阳区南磨房路37号华腾北搪商务大厦11层1103室（或邮件方式）。方式：现场报名或邮件方式。邮件方式：在本项目招标文件发售截止时间前，将支付标书款凭证发至邮箱baoming_ztxy100@163.com。邮件主题“【北京理工大学超高速波长调制光学测量系统采购】-XXX公司”。邮件内容“【项目信息（项目名称、项目编号），投标人信息（公司全称、统一信用代码），联系人信息（姓名、手机号、电子邮箱）】”以标书款到账时间为准，逾期汇款报名无效（未及时发送报名信息导致的后果，投标人自行承担）。售价：￥500.0 元，本公告包含的招标文件售价总和三、对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名 称：北京理工大学　　　　　地址：北京市海淀区中关村南大街5号　　　　　　　　联系方式：陈老师，010-68912384　　　　　　2.采购代理机构信息名 称：中天信远国际招投标咨询(北京)有限公司　　　　　　　　　　　　地　址：北京市朝阳区南磨房路37号华腾北搪商务大厦11层1103室　　　　　　　　　　　　联系方式：王文姣、王师安、于海龙、成志凯、张静、鲁智慧，010-51908151 　　　　　　　　　　　　3.项目联系方式项目联系人：王师安电　话：　　010-51908151

使用线偏激光照射金属、半导体、透明介质等材料产生表面周期结构（laser induced periodic surface structures，LIPSS）是一种普遍的现象，LIPSS的周期取决于激光条件和材料的性质，在接近入射激光波长到小于波长的十分之一范围变化。这些周期性纳米结构可用于有效地改变材料的性质，并在表面着色、光电特性调控、双折射和表面润湿性等方面有许多应用。氧化铟锡（indium tin oxide，ITO）具有较宽的带隙，对可见光与近红外波段有很高的透射率，ITO薄膜具有较低的电阻率，是液晶面板、新型太阳能电池等元件的重要组成部分。一直以来，发展制备ITO薄膜的新方法，调控ITO薄膜的光电特性是非常重要的研究课题，而在激光加工领域，使用激光在ITO薄膜诱导LIPSS是一个有效且简便的方法。华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室贾天卿教授课题组探究了一种通过飞秒激光直写在ITO薄膜表面加工LIPSS的方法，并详细分析了不同激光参数下加工的ITO薄膜在可见到红外光波段的透射率与其各向异性电导率的变化规律。合适的激光参数可以在ITO薄膜上有效地加工大面积低空间频率的LIPSS，这些LIPSS能够表现出独立纳米导线的特性，并且在电学特性上具有良好的一致性。结果表明，飞秒激光直写过程中并不会改变材料的性质，而且与原始的ITO薄膜相比，具有规则LIPSS的ITO薄膜在红外波段的平均透射率提高了197%。这对于将ITO薄膜表面加工规则的LIPSS作为透明电极应用于近红外波段的光电器件具有重要的意义。如图1，原始ITO薄膜的面电阻各向同性。随着激光能流密度的增加，垂直和水平于LIPSS方向的面电阻迅速增加且变化梯度不同，出现了明显的各向异性导电性，当ITO薄膜表面出现规则且独立的LIPSS结构以后，在一定能流密度范围，ITO薄膜能够在不同方向上显现出单向导电/绝缘的电学特性。图1 扫描速度为3 mm/s时，不同能流密度激光辐照后ITO薄膜的面电阻。图中给出了电学测量中横向（Transverse）与纵向（Longitudinal）的定义通过调节激光的能流密度，可以在一个较大的范围内制备出不同形貌的纳米导线（LIPSS）。图2（a）展示了不同能流密度的飞秒激光加工的纳米导线扫描电镜图像。在能流密度上升的过程中，纳米导线的宽度从537 nm降低到271 nm。纳米导线的高度从平均220 nm降低到142 nm，如图2（b）所示。纳米导线的单位电阻随着能流密度的上升从15 kΩ/mm上升到73 kΩ/mm，这是由于纳米导线的宽度与高度都在同步下降造成的，如图2（c）。图 2 （a）不同能流密度下的纳米导线的扫描电镜图像；（b）纳米导线的高度与宽度随着能流密度的变化情况；（c）纳米导线的单位电阻与电阻率随着能流密度的变化情况如图3，原始厚度为185 nm的ITO薄膜在1200~2000 nm的近红外光谱范围内的平均透射率为21.31%。经过飞秒激光直写后，当能流密度在0.510~ 0.637 J/cm2的范围内，ITO薄膜对于近红外的透过率达到54.48%~63.38%，相较原始的ITO薄膜得到了156%~197%的提高。同时，飞秒激光直写后的ITO薄膜在可见光波段的透过率略微提高且曲线较为平滑。通过调节激光的能流密度，ITO薄膜在近红外的透过率能够得到显著提高，并且能够保持较好的导电性。图 3 扫描速度为3 mm/s时，不同能流密度激光直写后的ITO薄膜的透射率。在0.637 J/cm2时红外波段（1200~2000 nm）透过率为63.38%该工作近期以“Periodic transparent nanowires in ITO film fabricated via femtosecond laser direct writing”为题发表在Opto-Electronic Science （光电科学）。

研究人员最近展示了一种有史以来最小的激光器，其包含一个直径仅为44纳米的纳米粒子。该器件因能产生一种称为表面等离子的辐射而被命名为“spaser”。这项新技术可允许光子局限在非常小的空间内，一些物理学家据此认为，就像晶体管之于现今的电子产品，spaser也许将成为未来光学计算机的基础。 美国诺福克大学材料研究中心物理学教授米哈伊尔诺基诺夫表示，现今最好的消费电子产品可在大约10吉赫兹的速度上运行，但未来的光学器件的运行速度可达到几百太赫兹范围。一般来说，光学器件难以实现小型化，是因为光子无法限定在比其一半波长更小的区域内。但以表面等离子形式与光作用的器件就能将光限定在非常紧密的位点上。 诺基诺夫说，目前科学家们正在基于等离子的新一代纳米电子设备的理论研究上努力探索。与以前的其他等离子器件不同的是，spaser能有效地产生和放大这些光波。诺基诺夫及同事在近期的《自然》杂志上发表了此项研究成果。 spaser包含一个直径仅为44纳米的单纳米粒子，激光器的其他不同部分的功能则与常规激光器无异。在普通激光器中，光子通过可放大光线的增益介质在两个镜面间反弹。而spaser中的光则围绕一个等离子形式的纳米粒子核中的金球表面进行反弹。 此中的挑战是确保这种能量不会快速从金属表面消散。诺基诺夫及其团队通过在金球上喷涂嵌有染料的硅层来实现这一要求。硅层可作为增益媒介。来自spaser的光可作为等离子体保持在限定区域，亦可作为可见光范围的光子离开粒子表面。像一个激光器一样，spaser必须“泵”入必要的能量，研究人员利用光脉冲轰击粒子来达到这个目的。 常规激光器的大小取决于其使用的光波长，反射面间的距离不能小于光波长的一半，在可见光范围大约为200纳米。spaser则是利用等离子体解决了此局限。诺基诺夫说，spaser也许将能做到一个纳米大小，但任何小于这一尺寸的纳米粒子，其功能就会丧失。 美国乔治亚州大学物理学教授马克斯托克曼称，和目前最快的晶体管相比，spaser虽具有同等的纳米尺度，但其速度要快上1000倍，这为制造速度超快的放大器、逻辑元件和微处理器提供了可能。 诺基诺夫则表示，spaser不仅能在光子计算机领域找到用武之地，也能在现今使用常规激光器的领域得到应用。更为现实的应用领域就是磁性数据存储业。现今用于硬盘的磁性数据存储介质已达到其物理极限，扩展其存储能力的方法之一就是在其记录过程中用非常小的光点对介质进行加热，而这必须使用纳米激光器才能做到。

1 引 言激光干涉位移测量技术具有大量程、高分辨力、非接触式及可溯源性等优势，广泛应用于精密计量、微电子集成装备和大科学装置等领域，成为超精密位移测量领域中的重要技术之一。近年来，随着这些领域的迅猛发展，对激光干涉测量技术提出了新的测量需求。如在基于长度等量子化参量的质量基准溯源方案中，要想实现1×10−8 量级的溯源要求，需要激光干涉仪长度测量精度达0. 1 nm 量级；在集成电路制造方面，激光干涉仪承担光刻机中掩模台、工件台空间位置的高速、超精密测量任务，按照“ 摩尔定律”发展规律，近些年要想实现1 nm 节点光刻技术，需要超精密测量动态精度达0. 1 nm，达到原子尺度。为此，国际上以顶级的计量机构为代表的单位均部署了诸如NNI、Nanotrace 等工程，开展了“纳米”尺度测量仪器的研制工程，并制定了测量确定度在10 pm 以下的激光干涉测量技术的研发战略。着眼于国际形势，我国同样根据先进光刻机等高端备、先进计量的测量需求，制定了诸多纳米计量技术的研发要。可见，超精密位移测量技术的发展对推进我国众多大高端装备具有重要战略意义，是目前纳米度下测量领域逐步发展的重大研究方向。2 激光干涉测量原理根据光波的传播和叠加原理，满足相干条件的光波能够在空间中出现干涉现象。在激光干涉测量中，由于测量目标运动，将产生多普勒- 菲佐（Doppler-Fizeau效应，干涉条纹将随时间呈周期性变化，称为拍频现象。移/相移信息与测量目标的运动速度/位移关系满足fd = 2nv/ λ ， （1）φd = 2nL/ λ ， （2）式中：fd为多普勒频移；φd为多普勒相移；n 为空气折射率；v 和L 为运动速度和位移；λ 为激光波长。通过对干涉信号的频率/相位进行解算即可间接获得测量目标运动过程中速度/位信息。典型的干涉测量系统可按照激光光源类型分为单频（零差式）激光干涉仪和双频（外差式）激光干涉仪两大类。零差式激光干涉测量基本原理如图1 所示，其结构与Michelson 干涉仪相仿，参考光与测量光合光干涉后，经过QPD 输出一对相互正交的信号，为Icos = A cos (2πfd t + φ0 + φd ) ， （3）Isin = A sin (2πfd t + φ0 + φd ) ， （4）式中：（Icos， Isin）为QPD 输出的正交信号；A 为信号幅值；φ0 为初始相位。结合后续的信号处理单元即可构成完整、可辨向的测量系统。图1　零差激光干涉测量原理外差式激光干涉仪的光源是偏振态相互垂直且具有一定频差Δf 的双频激光，其典型的干涉仪结构如图2 所示。双频激光经过NPBS 后，反射光通过偏振片发生干涉，形成参考信号Ir；透射光经过PBS，光束中两个垂直偏振态相互分开，f2 光经过固定的参考镜反射，f1 光经运动的测量镜反射并附加多普勒频移fd，与反射光合光干涉后形成测量信号Im。Ir = Ar cos (2πΔft + φr ) ， （5）Im = Am cos (2πΔft + φm )， （6）式中：Δf、A 和φ 分别为双频激光频差、信号幅值和初始相位差。结合式（5）和式（6），可解算出测量目标的相位信息。图2　外差激光干涉测量原理零差式激光干涉仪常用于分辨力高、速度相对低并且轴数少的应用中。外差式激光干涉仪具有更强的抗电子噪声能力，易于实现对多个目标运动位移的多轴同步测量，适用于兼容高分辨力、高速及多轴同步测量场合，是目前主流的干涉结构之一。3 激光干涉测量关键技术在超精密激光干涉仪中，波长是测量基准，尤其在米量级的大测程中，要实现亚纳米测量，波长准确度对测量精度起到决定性作用。其中，稳频技术直接影响了激光波长的准确度，决定激光干涉仪的精度上限；环境因素的变化将影响激光的真实波长，间接降低了实际的测量精度。干涉镜组结构决定光束传播过程中的偏振态、方向性等参数，影响干涉信号质量。此外，干涉信号相位细分技术决定激光干涉仪的测量分辨力，并限制了激光干涉仪的最大测量速度。3. 1　高精度稳频技术在自由运转的状态下，激光器的频率准确度通常只有±1. 5×10−6，无法满足超精密测量中10−8~10−7的频率准确度要求。利用传统的热稳频技术（单纵模激光器的兰姆凹陷稳频方法等），可以提高频率准确度，但系统中稳频控制点常偏离光功率平衡点，输出光频率准确度仅能达2×10−7量级，无法完全满足超精密测量的精度需求。目前，超精密干涉测量中采用的高精度稳频技术主要有热稳频、饱和吸收及偏频锁定3 种。由于激光管谐振腔的热膨胀特性，腔长随温度变化呈近似线性变化。因此，热稳频方法通过对谐振腔进行温度控制实现对激光频率的闭环调节。具体过程为：选定稳定的参考频标（双纵模激光器的光功率平衡点、纵向塞曼激光器频差曲线的峰/谷值点），当激光频率偏离参考频标时，产生的频差信号用于驱动加热膜等执行机构进行激光管谐振腔腔长调节。热稳频方法能够使激光器的输出频率的准确度在10−9~10−8 量级，但原子跃迁的中心频率随时间推移受腔内气体气压、放电条件及激光管老化的影响会发生温度漂移。利用稳频控制点修正方法，通过对左右旋圆偏振光进行精确偏振分光和对称功率检测来抑制稳频控制点偏移的随机扰动，同时补偿其相对稳定偏置分量。该方法显著改善了激光频率的长期漂移现象，阿伦方差频率稳定度为1. 9×10−10，漂移量可减小至（1~2）×10−8。稳频点修正后的激光波长仍存在较大的短期抖动，主要源于激光器对环境温度的敏感性，温差对频率稳定性的影响大。自然散热型激光器和强耦合水冷散热型激光器均存在散热效果不均匀和散热程度不稳定的问题。多层弱耦合水冷散热结构为激光管提供一个相对稳定的稳频环境，既能抑制外界环境温度变化对激光管产生的扰动，冷却水自身的弱耦合特性又不影响激光管性能，进而减小了温度梯度和热应力，提高了激光器对环境温度的抗干扰能力，减少了输出激光频率的短期噪声，波长的相对频率稳定度约为1×10−9 h−1。碘分子饱和吸收稳频法将激光器的振荡频率锁定在外界的参考频率上，碘分子饱和吸收室内处于低压状态下（1~10 Pa）的碘分子气体在特定频率点附近存在频率稳定的吸收峰，将其作为稳频基准后准确度可达2. 5×10−11。但由于谐振腔损耗过大，稳频激光输出功率难以超过100 μW 且存在MHz 量级的调制频率，与运动目标测量过程中产生的多普勒频移相近。因此，饱和吸收法难以适用于多轴、动态的测量场合。偏频锁定技术是另一种高精度的热稳频方法，其原理如图3 所示，通过实时测量待稳频激光器出射光与高精度碘稳频激光频差，获得反馈控制量，从而对待稳频激光器谐振腔进行不同程度加热，实现高精度稳频。在水冷系统提供的稳频环境下，偏频锁定激光器的出射光相对频率准确度优于2. 3×10−11。图3 偏频锁定热稳频原理3. 2　高精度干涉镜组周期非线性误差是激光干涉仪中特有的内在原理性误差，随位移变化呈周期性变化，每经过半波长，将会出现一次最大值。误差大小取决光束质量，而干涉镜组是决定光束质量的主导因素。传统的周期非线性误差可以归结为零差干涉仪的三差问题和外差干涉仪的双频混叠问题，产生的非线性误差机理如图4 所示，其中Ix、Iy分别表示正交信号的归一化强度。其中，GR为虚反射，MMS 为主信号，PISn 为第n 个寄生干涉信号，DFSn 为第n 阶虚反射信号。二者表现形式不完全相同，但都会对测量结果产生数纳米至数十纳米的测量误差。可见，在面向亚纳米、皮米级的干涉测量技术中，周期非线性误差难以避免。图4　零差与外差干涉仪中的周期非线性误差机理。（a）传统三差问题与多阶虚反射李萨如图；（b）多阶虚反射与双频混叠频谱分布Heydemann 椭圆拟合法是抑制零差干涉仪中非线性误差的有效方法。该方法基于最小二乘拟合，获得关于干涉直流偏置、交流幅值以及相位偏移的线性方程组，从而对信号进行修正。在此基础上，Köning等提出一种基于测量信号和拟合信号最小几何距离的椭圆拟合方法，该方法能提供未知模型参数的局部最佳线性无偏估计量，通过Monte Carlo 随机模拟后，其非线性幅值的理论值约为22 pm。在外差干涉仪中，双频混叠本质上是源于共光路结构中双频激光光源和偏振器件分光的不理想性，称为第1 类周期非线性。对于此类周期非线性误差，补偿方法主要可以从光路系统和信号处理算法两个方面入手。前者通过优化光路可以将非线性误差补偿至数纳米水平；后者通过椭圆拟合法提取椭圆特征参数，可以将外差干涉仪中周期非线性误差补偿至亚纳米量级；两种均属补偿法，方法较为复杂，误差难以抑制到0. 1 nm 以下。另一种基于空间分离式外差干涉结构的光学非线性误差抑制技术采用独立的参考光路和测量光路，非共光路使两路光在干涉前保持独立传播，从根本上避免了外差干涉仪中频率混叠的问题，系统残余的非线性误差约为数十皮米。空间分离式干涉结构能够消除频率混叠引起的第1 类周期非线性误差，但在测量结果中仍残余亚纳米量级的非线性误差，这种有别于频率混叠的残余误差即为多阶多普勒虚反射现象，也称为第2 类周期非线性误差。虚反射现象源自光学镜面的不理想分光、反射等因素，如图5所示，其中MB 为主光束，GR 为反射光束，虚反射现象普遍存在于绝大多数干涉仪结构中。虚反射效应将会使零差干涉仪中李萨如图的椭圆产生畸变，而在外差干涉仪中则出现明显高于双频混叠的高阶误差分量。图5　多阶虚反射现象使用降低反射率的方法，如镀增透膜、设计多层增透膜等，能够弱化虚反射现象，将周期非线性降低至亚纳米水平；德国联邦物理技术研究院Weichert等通过调节虚反射光束与测量光束间的失配角，利用透镜加入空间滤波的方法将周期非线性误差降低至±10 pm。上述方法在抑制单次的虚反射现象时有着良好的效果，但在面对多阶虚反射效应时作用有限。哈尔滨工业大学王越提出一种适用于多阶虚反射的周期非线性误差抑制方法，该方法利用遗传算法优化关键虚反射面空间姿态，精准规划虚反射光束轨迹，可以将周期非线性误差抑制到数皮米量级，突破了该领域10 pm 的周期非线性误差极限。3. 3　高速高分辨力相位细分技术在激光干涉仪中，相位细分技术直接决定系统的测量精度。实现亚纳米、皮米测量的关键离不开高精度的相位细分技术。相位的解算可以从时域和频域两个角度进行。最为常用的时域解算方法是基于脉冲边缘触发的相位测量方法，该方法利用高频脉冲信号对测量信号与参考信号进行周期计数，进而获取两路信号的相位差。该方法的测量速度与测量分辨力模型可表达为vm/dLm= Bm ， （7）式中：vm 为测量速度；dLm 为测量分辨力；Bm 为系统带宽。在系统带宽恒定的情况下，高测速与高分辨力之间存在相互制约关系。只有提高系统带宽才能实现测量速度和测量分辨力的同时提升，也因此极度依赖硬件运行能力。在测量速度方面，外差激光干涉仪的测量速度主要受限于双频激光频差Δf，测量目标运动产生的多普勒频移需满足fd≤Δf。目前，美国的Zygo 公司和哈尔滨工业大学利用双声光移频方案所研制的结构的频差可达20 MHz，理论的测量速度优于5 m/s。该方法通过增加双频激光频差来间接提升测量速度，频差连续可调，适用于不同测量速度的应用场合，最大频差通常可达几十MHz，满足目前多数测量速度需求。从干涉结构出发，刁晓飞提出一种双向多普勒频移干涉测量方法，采用全对称的光路结构，如图6所示，获得两路多普勒频移方向相反的干涉信号，并根据目标运动方向选择性地采用不同干涉信号，保证始终采用正向多普勒频移进行相位/位移解算。该方法从原理上克服了双频激光频差对测量速度的限制，其最大测量速度主要受限于光电探测器带宽与模/数转换器的采样频率。图6 全对称光路结构在提升测量分辨力方面，Yan 等提出一种基于电光调制的相位调制方法，对频率为500 Hz 的信号进行周期计数，该方法实现的相位测量标准差约为0. 005°，具有10 pm 内的超高位移测量分辨力，适用于低速测量场合。对于高速信号，基于脉冲边缘触发的相位测量方法受限于硬件带宽，高频脉冲频率极限在500 MHz 左右，其测量分辨力极限约为1~10 nm，难以突破亚纳米水平。利用高速芯片，可以将处理带宽提升至10 GHz，从而实现亚纳米的测量分辨力，但成本较大。闫磊提出一种数字延时细分超精细相位测量技术，在硬件性能相同、采样频率不变的情况下，该方法利用8 阶数字延迟线，实现了相位的1024 电子细分，具有0. 31 nm 的位移测量分辨力，实现了亚纳米测量水平。该方法的等效脉冲频率约为5 GHz，接近硬件处理极限，但其测量速度与测量分辨力之间依旧存在式（7）的制约关系。德国联邦物理技术研究院的Köchert 等提出了一种双正交锁相放大相位测量方法，如图7所示，FPGA 内部生成的理想正交信号分别与外部测量信号、参考信号混频，获取相位差。利用该方法，可以实现10 pm 以内的静态测量偏差。双正交锁相放大法能够处理正弦模拟信号，充分利用了信号的频率与幅值信息，其测量速度与测量分辨力计算公式为vm/0. 1λ0= Bm ， （8）dLm/0. 5λ0=Bs/dLc， （9）式中：Bs为采样带宽；dLc为解算分辨力。图7 双正交锁相方法测量原理可见，测量速度与测量分辨力相互独立，从原理上解决了高测速与高分辨力相互制约的矛盾，为激光干涉仪提供了一种兼顾高速和高分辨力的相位处理方法。在此基础上，为了适应现代工业中系统化和集成化的测量需求，美国Keysight 公司、Zygo 公司及哈尔滨工业大学相继研发出了光电探测与信号处理一体化板卡，能够实现高于5 m/s 的测量速度以及0. 31 nm 甚至0. 077 nm 的测量分辨力。此外，从变换域方面同样可以实现高精度的相位解算。张紫杨等提出了一种基于小波变换的相位细分方法，通过小波变换提取信号的瞬时频率，计算频率变化的细分时间，实现高精度的位移测量，该方法的理论相位细分数可达1024，等效位移精度约为0. 63 nm。Strube 等利用频谱分析法，从信号离散傅里叶变换（DFT）后的相位谱中获取测量目标的位移，实现了0. 3 nm 的位移测量分辨力。由于采用图像传感器为光电转换器，信号处理是以干涉条纹为基础的，适用于静态、准静态的低速测量场合。3. 4环境补偿与控制技术环境中温度、气压及湿度等变化会引起空气折射率变化，使得激光在空气中传播时波长变动，导致测量结果产生纳米量级的误差。环境误差补偿与控制技术是抑制空气折射率误差的两种重要手段。补偿法是修正空气折射率误差最常用的方法，具有极高的环境容忍度。采用折光仪原理、双波长法等可以实现10−7~10−8 量级的空气折射率相对测量不确定度。根据Edlen 经验公式，通过精确测定环境参数（温度、湿度和大气压等），可以计算出空气折射率的精确值，用于补偿位移测量结果，其中温度是影响补偿精度的最主要因素。采用高精度铂电阻传感器，设备可以实现1 mK 的温度测量精度，其折射率的补偿精度可达10−8量级，接近Edlen 公式的补偿极限。环境控制技术是保证干涉仪亚纳米测量精度的另一种有效方法。在现行的DUV 光刻机中，采用气浴法，建立3 mK/5 min 以内恒温、10 Pa/5 min 以内恒压、恒湿气浴场，该环境中能够实现10−9~10−8 量级空气折射率的不确定度。对于深空引力波探测、下一代质量基准溯源等应用场合，对激光干涉仪工作的环境控制要求更为严苛，测量装置需置于真空环境中，此时，空气折射率引入的测量误差将被彻底消除。4 激光干涉测量技术发展趋势近年来，超精密位移测量的精度需求逐渐从纳米量级向亚纳米甚至皮米量级过渡。国内在激光干涉仪中的激光稳频、周期非线性误差消除和信号处理等关键技术上均取得了重大的突破。在LISA 团队规划的空间引力波探测方案中，要求在500 万千米的距离上，激光干涉仪对相对位移量需要具有10 pm 以内的分辨能力。面对更严苛的测量需求，超精密位移测量依然严峻面临挑战。激光干涉测量技术的未来发展趋势可以归结如下。1）激光波长存在的长期漂移和短期抖动是限制测量精度提升的根本原因。高精度稳频技术对激光波长不确定度的提升极限约为10−9量级。继续提升激光波长稳定度仍需要依托于下一阶段的工业基础，改善激光管本身的物理特性，优化光源质量。2）纳米级原理性光学周期非线性误差是限制激光干涉仪测量精度向亚纳米、皮米精度发展的重要瓶颈。消除和抑制第1 类和第2 类周期非线性误差后，仍残余数十皮米的非线性误差。由于周期非线性误差的表现形式与耦合关系复杂，想要进一步降低周期非线性误差幅值，需要继续探索可能存在的第3 类非线性误差机理。3）测量速度与测量分辨力的矛盾关系在动态锁相放大相位测量方法中得到初步解决。但面对深空引力波探测中高速、皮米的测量要求，仍然需要进一步探索弱光探测下的高分辨力相位细分技术；同时，需要研究高速测量过程中的动态误差校准技术。高速、高分辨力特征依旧是相位细分技术今后的研究方向。全文下载：亚纳米皮米激光干涉位移测量技术与仪器_激光与光电子学进展.pdf

近日，来自中国科学院安徽光学精密机械研究所、先进激光技术安徽省实验室、中国科学技术大学、法国滨海大学大气物理化学实验室联合研究团队发表了《基于钕铁硼环形磁体阵列的双中红外波长法拉第旋转光谱NOx传感器》论文。Recently, the joint research team from Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, HFIPS, Chinese Academy of Sciences, Advanced Laser Technology Laboratory of Anhui Province, University of Science and Technology of China, Laboratoire de Physicochimie de l′ Atmosph`ere, Universit´ e du Littoral C&circ ote d′ Opale, published an academic papers Dual mid-infrared wavelength Faraday rotation spectroscopy NOx sensor based on NdFeB ring magnet array.氮氧化物（NOx，包括二氧化氮（NO2）和一氧化氮（NO））是对流层臭氧的重要前体，同时也影响羟基和过氧基自由基的浓度。大多数气态化合物在被氧化和从空气中去除或转化成其他化学物质时，都会直接或间接接触到NOx。在典型的羟基自由基水平下，NOx的寿命取决于季节和光化学反应速率，通常为几小时。根据IPCC第六次评估报告，NOx的排放导致净正向变暖，因为它既形成短期臭氧（变暖），又破坏环境甲烷（冷却）。此外，NOx还导致酸沉降以及化学烟雾和气溶胶的形成。NO和NO2在大气光化学反应中起着核心作用，针对它们的检测有助于理解这两种气体的来源和去向，以及研究陆地生态系统与大气之间的NOx交换通量。Nitrogen oxides (NOx, the sum of nitrogen dioxide (NO2) and nitric oxide (NO)) are important precursors of tropospheric ozone, and they also influence the concentration of hydroxyl and peroxyl radicals. Most of the compounds that are oxidized and removed from the air or converted to other chemical species are in direct or indirect contact with NOx. At typical hydroxyl radical levels, the life time of NOx depends on the season and the photochemical reaction rate, which is typically a few hours. According to the IPCC sixth assessment report, the emissions of NOx result in net-positive warming from the formation of short-term ozone (warming) and the destruction of ambient methane (cooling). Additionally, NOx contributes to acid deposition and the formation of chemical smog and aerosols. Since NO and NO2 play a central role in atmospheric photochemical reactions, their simultaneous detection helps to understand the sources and sinks of these two gases, in addition to studying the NOx exchange fluxes between terrestrial ecosystems and the atmosphere.化学发光检测（NO + O3 → NO2 + O2 + hν）是测量NOx的传统方法。在通过化学发光反应（Mo + 3NO2 → MoO3 + 3NO）测量之前，NO2首先需要在高温（~325°C）下转化为NO。虽然这种方法被广泛使用，但其他氧化氮化合物，如过乙酰亚硝酸酯（PAN）和硝酸（HNO3），可能会在测量NOx浓度时引起交叉干扰。同时，这种方法不能区分NO和NO2。红外吸收法也可用于测量NO和NO2。在这种方法中，通常需要通过转化器将NO2还原为NO。由于NO和NO2是顺磁分子，法拉第旋转光谱（FRS）可以用作实现其高度敏感和选择性检测的潜在方法。FRS通过检测气态介质在纵向磁场中引起的光偏振状态的变化，实现对物种浓度的高灵敏度检测。该方法通过测量光学色散实现气体浓度的检测，因此其动态测量范围比基于比尔-兰伯定律的吸收光谱（动态范围上限≤10%）更大。FRS的另一个重要优势是它对于抗磁性分子（如水和二氧化碳）具有较强的抗干扰能力，从而使其具有高样品特异性。Chemiluminescence detection (NO+O3→NO2+O2+hν) is the conventional method for measuring NOx. NO2 first needs to be converted to NO at high temperature (~325 ◦ C) before it can be measured by chemiluminescence reaction (Mo+3NO2→MoO3+3NO). Although this method is more widely used, other oxidized nitrogen compounds, such as peroxyacetyl nitrate (PAN) and nitric acid (HNO3), can cause cross-interference in the measurement of NOx concentrations. Simultaneously, this method is non-selective in discriminating between NO and NO2. The infrared absorption method can also be used for NO and NO2 measurements. In this method, NO2 usually needs to be reduced to NO by the converter. As NO and NO2 are paramagnetic molecules, Faraday rotation spectroscopy (FRS) can be used as a potential method to achieve their highly sensitive and selective detection. FRS enables highly sensitive detection of species concentrations by detecting changes in the polarization state of light induced by a gaseous medium immersed in a longitudinal magnetic field. This method realizes the detection of gas concentration by measuring optical dispersion, so it has a higher dynamic measurement range than absorption spectroscopy (dynamic range upper limit ≤10%) based on Beer-Lambert law. Another significant advantage of FRS is that it is reasonably immune to diamagnetic species (e.g., water and carbon dioxide), which allows it to exhibit high sample specificity. 大多数这些报道的FRS传感器使用螺线管提供外部纵向磁场，从而导致能耗高和产生过多焦耳热。同时产生目标磁场所需的高电流交流电路会产生不受控制的电磁干扰（EMI），通常会降低FRS传感器的长期稳定性。此外，当前报道的FRS传感器只能在吸收池中进行单组分测量，不能满足复杂环境中同时进行多组分测量的需求。Most of these reported FRS sensors use solenoid coils to provide an external longitudinal magnetic field, which makes them suffer from high power consumption and excessive Joule heat generation. The high-current alternating current circuit required to generate the target magnetic field produces uncontrolled electromagnetic interference (EMI), which usually deteriorates the long-term stability of the FRS sensors. In addition, the currently reported FRS sensors are only capable of single-component measurements in the absorption cell and cannot meet the demand for simultaneous multi-component measurements in complex environments.在本研究中，提出了一种新型的低能耗FRS传感器，基于钕铁硼（NdFeB）环形磁体阵列，实现在单个吸收池中同时检测NO和NO2。分析了同轴双波长赫里奥特池（DWHC）的环形磁体阵列的磁场分布特性。使用两台室温连续波中红外量子级联激光器（QCL），波长分别为5.33 µ m（1875.81 cm&minus 1）和6.2 µ m（1613.25 cm&minus 1），同时探测DWHC内的磁光效应。通过对激光波长进行高频调制，有效抑制了1/f噪声。优化了双波长FRS NOx传感器的性能，包括调制幅度、调制频率、样品气压和分析器偏置角。本研究提出的FRS传感器为现场可部署的微量气体检测设备提供了理想解决方案。宁波海尔欣光电科技有限公司为此研究提供了HPPD-M-B 前置放大制冷一体型碲镉汞（MCT）光电探测器，用以分别检测2个激光束。In the present work, a novel low-power FRS sensor based on a neodymium-iron-boron (NdFeB) ring magnet array was proposed to achieve simultaneous detection of NO and NO2 in a single absorption cell. The magnetic field distribution characteristics of a ring magnet array coaxial to a dual-wavelength Herriott cell (DWHC) were analyzed. Two room-temperature continuous wave mid-infrared quantum cascade lasers (QCL) with wavelengths of 5.33 µ m (1875.81 cm&minus 1) and 6.2 µ m (1613.25 cm&minus 1), respectively, were used simultaneously to probe magneto-optical effects within the DWHC. The 1/f noise was effectively suppressed by high-frequency modulation of the laser wavelength. The performance of the dual-wavelength FRS NOx sensor was optimized with respect to modulation amplitude, modulation frequency, sample gas pressure, and analyzer offset angle. The FRS sensor proposed in this work provides a preferable solution for field deployable trace gas detection equipment. The laser detected by two TEC-cooled mid-infrared thermoelectrically cooled mercury-cadmium- telluride (MCT) photodetectors (Healthy Photon, model HPPD-B- 10–150 K).(a) Schematic diagram of the dual mid-infrared wavelength FRS NOx sensor based on a NdFeB ring magnet array (b) Optical layout of the FRS NOx sensor.thermoelectrically cooled mercury-cadmium- telluride (MCT) photodetectors (Healthy Photon, model HPPD-B- 10–150 K),结论本研究开发了一种基于NdFeB环形磁铁阵列的双中红外波长FRS传感器，用于同时检测NO2和NO。在光学路径长度为23.7米，积分时间为100秒的条件下，NO2和NO的检测限分别为0.58 ppb和0.95 ppb。高频激光波长调制与外部静态磁场相结合，最大程度地减小了低频噪声对FRS信号的影响。基于有限元方法分析了使用的永磁体阵列的磁场分布特性，帮助确定与其耦合的吸收池长度。采用双波长赫里奥特池放大两种不同偏振光波长与氮氧化物分子之间的相互作用，从而实现了在单个吸收池内对两种顺磁分子的高灵敏度检测。本文提出的FRS NOx传感器在大气环境监测或生态系统NOx通量观测等领域，具有进一步发展成为便携式、可在实地使用的仪器的巨大潜力。Conclusion In this work, a dual mid-infrared wavelength FRS sensor based on a NdFeB ring magnet array was developed for the simultaneous detection of NO2 and NO. The detection limits for NO2 and NO were 0.58 ppb and 0.95 ppb, respectively, at an optical path length of 23.7 m and an integration time of 100 s. High frequency laser wavelength modulation was combined with an external static magnetic field to minimize the effect of low frequency noise on the FRS signal. The magnetic field distribution characteristics of the used permanent magnet array were analyzed based on the finite element method, which helped to determine the length of the absorption cell coupled to it. A dual-wavelength Herriott cell was used to amplify the interaction between two different wavelengths of linearly polarized light and nitrogen oxide molecules, thus achieving highly sensitive detection of two paramagnetic molecules within a single absorption cell. The FRS NOx sensor presented in this work shows great potential for further development into a portable, field-deployable instrument with applications in atmospheric environmental monitoring or ecosystem NOx flux observation. (a) Schematic diagram of a dual-wavelength Herriott cell (DWHC) with a NdFeB ring magnet array (b) Characteristics of the magnetic inductance line distribution around a NdFeB ring magnet array (c) Ray tracing results in a DWHC (d) Spot distribution on a concave mirror.Optimization of laser modulation frequency for the dual mid-infrared wavelength FRS NOx sensor.Optimization of laser modulation amplitude for the dual mid-infrared wavelength FRS NOx sensor.(a), (b) Measured FRS NOx signal as a function of analyzer angle (c), (d) Calculated FRS NOx noise as a function of analyzer angle (e), (f) Calculated SNR as a function of analyzer angle.Measured FRS NOx signal amplitude as a function of sample pressure.(a) , (b) FRS signals for different concentrations of NOx (c), (d) Linear dependence of FRS signal amplitude as a function of NOx concentration.Allan deviation plot of the dual mid-infrared wavelength FRS NOx sensor.Reference:Yuan Cao, Kun Liu, Ruifeng Wang, Guishi Wang, xiaoming Gao, Weidong Chen，Dual mid-infrared wavelength Faraday rotation spectroscopy NOx sensor based on NdFeB ring magnet array, Sensors & Actuators: B. Chemical 388 (2023) 133805https://doi.org/10.1016/j.snb.2023.133805

记者从北京大学获悉，该校马仁敏研究员和戴伦教授合作，实现了一种新型激光增强表面等离激元探测技术。　　这种新型探测技术的强度探测品质因子比传统的表面等离激元(SPR)探测器高400倍左右。同时成本低，尺寸仅为微米量级，在一根头发丝的端面上即可制备数以千计的探测器。　　“该探测器所具有的极高灵敏度、低成本和小体积的特点可能会使其在疾病的早期诊断、公共场所的安全监测和环境食品卫生等领域发挥重要的作用。”马仁敏说。　　表面等离激元是一种局域在金属介质界面的局域电磁模式，通过将光频段的电磁波与贵金属中的自由电子的振荡耦合，将电磁场的能量限制在很小的尺度内，其振荡频率对周围环境非常敏感。通过探测由周围折射率变化引起的等离激元共振模式的变化形成的表面等离激元探测器是一种实时和不需要荧光标记的新型探测器。近20年以来，其在疾病诊断、生物化学研究与应用和环境监控等领域取得了非常大的成功。　　马仁敏说，用于产生等离激元共振的金属中自由电子的振荡所带来的欧姆损耗在传统的等离激元探测器中不可避免，从基本物理原理上来讲，是进一步提高探测器灵敏度的障碍。马仁敏研究小组将激光原理引入到了表面等离激元探测器中，利用激光中的受激辐射光放大补偿了欧姆损耗，在前期气相超灵敏爆炸物检测的基础上(Nature Nanotechnology, 2014)，实现了液相激光增强表面等离激元(LESPR)探测器。　　新的探测器主要包括金属层和增益介质层，增益介质层形成在金属层上 在增益介质层和金属层的界面上形成表面等离激元模式，此模式由增益介质层的边界限制从而形成表面等离激元激光腔 待测液体覆盖在增益介质层上 激发光经过待测液体入射至增益介质层，增益介质在激发光的泵浦下产生受激辐射，经由激光腔反馈放大产生表面等离激元激光，该表面等离激元激光的波长和强度与待测液体的折射率有关。　　在实验中应用了戴伦教授合成的发光波长在700纳米左右的硒化镉纳米晶体作为增益材料，其发光波长正好位于生物组织和水散射和吸收较小的700纳米到900纳米的窗口波长。相比于通常应用于等离激元激光中的金属银，他们使用了金。　　“金虽然具有较高的欧姆损耗，但其化学性质远比银稳定，适合应用于生物和其他复杂环境的应用。”戴伦教授说。　　在实验中，除了预期的激光效应补偿欧姆损耗使得等离激元共振的谐振线宽显著变窄意外，他们还发现激光增强表面等离激元探测器具有传统表面等离激元探测器所不具有的高斯光谱线型和无背景辐射的优点。　　“这些特点使激光增强表面等离激元探测器具有高达84000的强度探测品质因子，比传统的表面等离激元探测器的强度探测的品质因子高400倍左右。”马仁敏说，“同时，因为使用了微腔效应，整个激光增强表面等离激元探测器的尺寸仅为微米量级，在一根头发丝的端面上即可制备数以千计的探测器，具有低成本、小型化、规模化集成的优点。”　　该工作目前已被领域内的知名期刊Nanophotonics接收发表，北京大学博士后王兴远，博士生王逸伦和王所为文章共同第一作者，马仁敏研究员和戴伦教授为通讯作者。同时他们也为该探测器申请了发明专利。

美国西北大学的研究人员研制出了一种小型中红外激光二极管，其转换效率超过50%。有关报道称这一成果是量子级联激光器(QCL)研究的重大突破，使量子级联激光器向多个领域的实际应用，包括对危险化学品的远程探测，迈出了重要一步。相关研究成果刊发在最近的《自然—光子学》(Nature Photonics)杂志网络版上。　　量子级联激光器是一种发光机制异于传统半导体激光器的新型二极管激光器，根据量子力学原理设计，其发光波长可覆盖中红外区域。与传统的二极管激光器不同，量子级联激光器是单极器件，仅需电子即可运作，利用电子在一维量子化的导带间的跃迁来实现发光。经过多年的研究和工业化开发，现代近红外(波长在1微米左右)激光二极管的转换效率已接近极值，而中红外(波长大于3微米)激光二极管却很难达到效率极值。先前的报道认为，即使冷却到低温状态，高效量子级联激光器的转换效率也不会高于40%。　　美国西北大学量子器件研究中心(CQD)的研究人员通过优化激光器设备的材料质量，在量子级联激光器效率方面取得了突破性进展。他们剔除了在低温条件下激光器操作中非必要的设计元素，研制出的新型激光器在温度冷却到40开尔文时，4.85微米波长光的转换效率达到了53%。　　该研究小组的领导者、美国西北大学麦考密克工程与应用科学学院电气工程和计算机科学教授玛尼杰拉泽吉认为，这种高效激光器的问世是一个重大突破，这是科学家们首次使激光器发出的光能超过热能。她强调，激光器的转换效率突破50%这个门槛，是一个里程碑式的成就。　　报道称，提高转换效率依然是目前激光器研究的首要目标。而新型设备所展现的高效率，可大大扩展量子级联激光器的功率标定范围。最近的研究表明，伴随着量子级联激光器的广泛发展，单体脉冲激光器的输出功率已高达120瓦特，而在一年前，只有34瓦特。　　该研究得到了美国国防部高级研究计划局高效中红外激光器(EMIL)项目和美国海军研究所的共同资助。

1. 什么是光散射现象？光线通过不均一环境时，发生的部分光线改变了传播方向的现象被称作光散射，这部分改变了传播方向的光称作散射光。宏观上，从阳光被大气中空气分子和液滴散射而来的蓝天和红霞到被水分子散射的蔚蓝色海洋，光散射现象本质都是光与物质的相互作用。2. 颗粒与光的相互作用微观上，当一束光照在颗粒上，除部分光发生了散射，还有部分发生了反射、折射和吸收，对于少数特别的物质还可能产生荧光、磷光等。当入射光为具有相干性的单色光时，这些散射光相干后形成了特定的衍射图样，米氏散射理论是对此现象的科学表述。如果颗粒是球形，在入射光垂直的平面上观察到称为艾里斑的衍射图样。颗粒散射激光形成艾里斑3. 激光粒度仪原理-光散射的空间分布探测分析艾里斑与光能分布曲线当我们观察不同尺寸的颗粒形成的艾里斑时，会发现颗粒的尺寸大小与中间的明亮区域大小一般成反相关。现代的激光粒度仪设计中，通过在垂直入射光的平面距中心点不同角度处依次放置光电检测器进行粒子在空间中的光能分布进行探测，将采集到的光能通过相关米氏散射理论反演计算，就可以得出待分析颗粒的尺寸了。这种以空间角度光能分布的测量分析样品颗粒分散粒径的仪器即是静态光散射激光粒度仪，由于测试范围宽、测试简便、数据重现性好等优点，该方法仪器使用最广泛，通常被简称为激光粒度仪。根据激光波长（可见光激光波长在几百纳米）和颗粒尺寸的关系有以下三种情况：a) 当颗粒尺寸远大于激光波长时，艾里斑中心尺寸与颗粒尺寸的关系符合米氏散射理论在此种情况下的近似解，即夫琅和费衍射理论，老式激光粒度仪亦可以通过夫琅和费衍射理论快速准确地计算粒径分布。b) 当颗粒尺寸与激光波长接近时，颗粒的折射、透射和反射光线会较明显地与散射光线叠加，可能表现出艾里斑的反常规变化，此时的散射光能分布符合考虑到这些影响的米氏散射理论规则。通过准确的设定被检测颗粒的折射率和吸收率参数，由米氏散射理论对空间光能分布进行反演计算即可得出准确的粒径分布。c) 当颗粒尺寸远小于激光波长时，颗粒散射光在空间中的分布呈接近均匀的状态（称作瑞利散射），且随粒径变化不明显，使得传统的空间角度分布测量的激光粒度仪不再适用。总的来说，激光粒度仪一般最适于亚微米至毫米级颗粒的分析。静态光散射原理Topsizer Plus激光粒度分析仪Topsizer Plus激光粒度仪的测试范围达0.01-3600μm，根据所搭配附件的不同，既可测量在液体中分散的样品，也可测量须在气体中分散的粉体材料。4. 纳米粒度仪原理-光散射的时域涨落探测（动态光散射）分析 对于小于激光波长的悬浮体系纳米颗粒的测量，一般通过对一定区域中测量纳米颗粒的不定向地布朗运动速率来表征，动态光散射技术被用于此时的布朗运动速率评价，即通过散射光能涨落快慢的测量来计算。颗粒越小，颗粒在介质中的布朗运动速率越快，仪器监测的小区域中颗粒散射光光强的涨落变化也越快。然而，当颗粒大至微米极后，颗粒的布朗运动速率显著降低，同时重力导致的颗粒沉降和容器中介质的紊流导致的颗粒对流运动等均变得无法忽视，限制了该粒径测试方法的上限。基于以上原因，动态光散射的纳米粒度仪适宜测试零点几个纳米至几个微米的颗粒。5.Zeta电位仪原理-电泳中颗粒光散射的相位探测分析纳米颗粒大多有较活泼的电化学特性，纳米颗粒在介质中滑动平面所带的电位被称为Zeta电位。当在样品上加载电场后，带电颗粒被驱动做定向地电泳运动，运动速度与其Zeta电位的高低和正负有关。与测量布朗运动类似，纳米粒度仪可以测量电场中带电颗粒的电泳运动速度表征颗粒的带电特性。通常Zeta电位的绝对值越高，体系内颗粒互相排斥，更倾向与稳定的分散。由于大颗粒带电更多，电泳光散射方法适合测量2nm-100um范围内的颗粒Zeta电位。NS-90Z 纳米粒度及电位分析仪NS-90Z 纳米粒度及电位分析仪在一个紧凑型装置仪器中集成了三种技术进行液相环境颗粒表征，包括：利用动态光散射测量纳米粒径，利用电泳光散射测量Zeta电位，利用静态光散射测量分子量。6. 如何根据应用需求选择合适的仪器为了区分两种光散射粒度仪，激光粒度仪有时候又被称作静态光散射粒度仪，而纳米粒度仪有时候也被称作动态光散射粒度仪。需要说明的是，由于这两类粒度仪测量的是颗粒的散射光，而非对颗粒成像。如果多个颗粒互相沾粘在一起通过检测区间时，会被当作一个更大的颗粒看待。因此这两种光散射粒度仪分析结果都反映的是颗粒的分散粒径，即当颗粒不完全分散于水、有机介质或空气中而形成团聚、粘连、絮凝体时，它们测量的结果是不完全分散的聚集颗粒的粒径。综上所述，在选购粒度分析仪时，基于测量的原理宜根据以下要点进行取舍：a) 样品的整体颗粒尺寸。根据具体质量分析需要选择对所测量尺寸变化更灵敏的技术。通常情况下，激光粒度仪适宜亚微米到几个毫米范围内的粒径分析；纳米粒度仪适宜全纳米亚微米尺寸的粒径分析，这两种技术测试能力在亚微米附近有所重叠。颗粒的尺寸动态光散射NS-90Z纳米粒度仪测试胶体金颗粒直径，Z-average 34.15nmb) 样品的颗粒离散程度。一般情况下两种仪器对于单分散和窄分布的颗粒粒径测试都是可以轻易满足的。对于颗粒分布较宽，即离散度高/颗粒中大小尺寸粒子差异较大的样品，可以根据质量评价的需求选择合适的仪器，例如要对纳米钙的分散性能进行评价，关注其微米级团聚颗粒的含量与纳米颗粒的含量比例，有些工艺不良的情况下团聚的颗粒可能达到十微米的量级，激光粒度仪对这部分尺寸和含量的评价真实性更高一些。如果需要对纳米钙的沉淀工艺进行优化，则需要关注的是未团聚前的一般为几十纳米的原生颗粒，可以通过将团聚大颗粒过滤或离心沉淀后，用纳米粒度仪测试，结果可能具有更好的指导性，当然条件允许的情况下也可以选用沉淀浆料直接测量分析。有些时候样品中有少量几微米的大颗粒，如果只是定性判断，纳米粒度仪对这部分颗粒产生的光能更敏感，如果需要定量分析，则激光粒度仪的真实性更高。对于跨越纳米和微米的样品，我们经常需要合适的进行样品前处理，根据质量目标选用最佳质控性能的仪器。颗粒的离散程度静态光散射法Topsizer激光粒度仪测试两个不同配方工艺的疫苗制剂动态光散射NS-90Z纳米粒度仪测试疫苗制剂直径激光粒度仪测试结果和下图和纳米粒度仪的结果是来自同一个样品，从分布图和数据重现程度上看，1um以下，纳米粒度仪分辨能力优于激光粒度仪；1um以上颗粒的量的测试，激光粒度仪测试重现性优于纳米粒度仪；同时对于这样的少量较大颗粒，动态光散射纳米粒度仪在技术上更敏感（测试的光能数据百分比更高）。在此案例的测试仪器选择时，最好根据质控目标来进行，例如需要控制制剂中大颗粒含量批次之间的一致性可以选用激光粒度仪；如果是控制制剂纳米颗粒的尺寸，或要优化工艺避免微米极颗粒的存在，则选用动态光散射纳米粒度仪更适合。c) 测试样品的状态。激光粒度仪适合粉末、乳液、浆料、雾滴、气溶胶等多种颗粒的测试，纳米粒度仪适宜胶体、乳液、蛋白/核酸/聚合物大分子等液相样品的测试。通常激光粒度仪在样品浓度较低的状态下测试，对于颗粒物含量较高的样品及粉末，需要在测试介质中稀释并分散后测试。对于在低浓度下容易团聚或凝集的样品，通常使用内置或外置超声辅助将颗粒分散，分散剂和稳定剂的使用往往能帮助我们更好的分离松散团聚的颗粒并避免颗粒再次团聚。纳米粒度仪允许的样品浓度范围相对比较广，多数样品皆可在原生状态下测试。对于稀释可能产生不稳定的样品，如果测试尺寸在两者都许可的范围内，优先推荐使用纳米粒度仪，通常他的测试许可浓度范围更广得多。如果颗粒测试不稳定，通常需要根据颗粒在介质体系的状况，例如是否微溶，是否亲和，静电力相互作用等，进行测试方法的开发，例如，通过在介质中加入一定的助剂/分散剂/稳定剂或改变介质的类别或采用饱和溶液加样法等，使得颗粒不易发生聚集且保持稳定，大多数情况下也是可以准确评价样品粒径信息的。当然，在对颗粒进行分散的同时，宜根据质量分析的目的进行恰当的分散，过度的分散有时候可能会得到更小的直径或更好重现性的数据，但不一定能很好地指导产品质量。例如对脂质体的样品，超声可能破坏颗粒结构，使得粒径测试结果失去质控意义。d) 制剂稳定性相关的表征。颗粒制剂的稳定性与颗粒的尺寸、表面电位、空间位阻、介质体系等有关。一般来说，颗粒分散粒径越细越不容易沉降，因此颗粒间的相互作用和团聚特性是对制剂稳定性考察的重要一环。当颗粒体系不稳定时，则需要选用颗粒聚集/分散状态粒径测量相适宜的仪器。此外，选用带电位测量的纳米粒度仪可以分析从几个纳米到100um的颗粒的表面Zeta电位，是评估颗粒体系的稳定性及优化制剂配方、pH值等工艺条件的有力工具。颗粒的分散状态e) 颗粒的综合表征。颗粒的理化性质与多种因素有关，任何表征方法都是对颗粒的某一方面的特性进行的测试分析，要准确且更系统地把控颗粒产品的应用质量，可以将多种分析方法的结果进行综合分析，也可以辅助解答某一方法在测试中出现的一些不确定疑问。例如结合图像仪了解激光粒度仪测试时样品分散是否充分，结合粒径、电位、第二维利系数等的分析综合判断蛋白制剂不稳定的可能原因等。

由于运用光散射参数的组合不同，形成了众多基于散射的颗粒粒径测量理论，米氏散射理论，夫朗和费衍射，衍射式散射，全散射，角散射等，不同理论的运用形成了多种粒度测试仪器共存的现状。　　米氏理论是对均质的球形颗粒在平行单色光照射下的电磁方程的精确解，它适用于一切大小和不同折射率的球形颗粒。而夫朗和费衍射理论只是经典米氏理论的一个近似或一个特例，仅当颗粒直径与入射光波长相比很大时才能适用。这就决定了基于夫朗和费衍射理论的激光粒度仪的测量下限不能很小。正因如此，应用经典米氏散射理论的激光粒度仪以其适用范围广，在小粒径范围测量的极高精度，受到了广泛认可。

在国家自然科学基金纳米科技重大研究计划的重点项目等支持下，湖南大学教授邹炳锁领导的纳米光子学小组与美国亚利桑那州立大学教授宁存政领导的纳米光子学小组合作，成功演示了调谐范围从500到700纳米范围调谐的半导体激光芯片，创下了一个新的纳米线激光器调谐范围的世界纪录。相关文章发表在最近一期的《美国化学会杂志》上。　　宽调谐的半导体激光器拥有许多从光谱技术、光通讯，到芯片原位的生物或分子检测的用途。但实现这样的激光器一直很困难，主要是外延生长的半导体微结构的晶格失配有限，不能大幅度成分调节，因而对半导体带边影响有限，而发光受制于半导体的带边，因此无法实现大范围调谐。邹炳锁领导的纳米光子学小组成员潘安练采用一维纳米结构生长技术，可以将晶格失配大部分驰豫掉或全部消除，这样，可能得到大范围成分调节的半导体纳米线或带。　　纳米线沿一个方向布满整个基片，成分均匀变化，可以看到一个连续颜色可变的激光发射带。除了激射外，这样的合金半导体还可能在光伏太阳能电池、分子和生物检测等方面得到很大应用。　　邹炳锁领导的团队近年一直致力于一维半导体纳米结构光子学研究，并在国内率先开展纳米线光波导和纳米激光器等方面的研究，处于国内领先和国际先进水平，在多功能半导体纳米结构光子学的研究上取得了多项重要的研究成果。如潘安练、邹炳锁等教授首次合成发光颜色可以在可见光波段可调的半导体合金纳米带和纳米线，率先实现光在纳米线内长程(百微米量级)光波导，实现了硫化镉纳米线常温下的受激发射现象等。小组成员陈克求教授、王玲玲教授等对一维波导理论的研究也取得了重要成果。该小组已有多篇论文在国际著名学术期刊上发表。

武钢计控公司是国家一级计量单位。该公司以“在科学的道路上永无止境地探索”为企业理念，注重发挥各类人才积极性和创造性。通过建立现代企业制度，实施管理创新，形成较强的高新技术产品开发能力。该公司向我公司聚光科技提供了详细工况，让我公司根据现场工艺来设计，对其电捕焦油器O2浓度进行连续、实时的监测和记录、分析，给武钢计控公司的工艺控制提供依据。据该公司O2含量检测要求，我公司采用LGA-4100型探头式激光过程气体分析系统来进行测量。LGA-4100激光过程气体分析系统是结合多年的激光气体分析产品的开发和应用经验，集成半导体激光吸收光谱、激光器波长自适应、、蓝牙无线通讯等多项创新技术，推出的新一代激光过程气体分析产品。该系统的发射和接收单元直接安装在工业管道上。整个系统由于无预处理及运动部件，使得其相对于传统红外等分析系统，运行的稳定性和可靠性大大增强，并且维护标定工作量和运行费用大大降低。 LGA-4100半导体激光气体分析系统基于国际领先的半导体激光吸收光谱技术（DLAS），即“单线光谱”测量技术。具体来说，就是通过测量具有某一特定吸收谱线的激光束在穿过被测气体时发生的衰减信息，并根据激光强度衰减与被测气体含量间的正比关系，分析获得被测气体的浓度。与非分光红外气体分析技术相同,DLAS技术也是一种吸收光谱技术，它利用Beer-Lambert关系来定量分析半导体激光能量被被测气体选择吸收产生的衰减来获得气体的浓度。与传统非分光红外分析技术使用谱宽很宽且固定波长的红外光源不同，DLAS技术使用谱宽非常小(也就是单色性非常好) 且波长可调谐的半导体激光器作为光源。 因此，DLAS技术具有传统非分光红外分析技术无法实现的一些性能优点： 1. 不受背景气体交叉干扰。半导体激光器发射的激光谱宽小于0.0001nm，是红外光源谱宽的1/106，远小于红外光源谱宽和被测气体单吸收谱线宽度，其频率调制扫描范围也仅包含被测气体单吸收谱线（半导体激光吸收光谱技术也因此被称为单线光谱技术），因此成功消除了背景气体交叉干扰影响。 2. 不受粉尘和视窗污染干扰。非分光红外气体分析仪在分析粉尘含量较大的气体时，粉尘和被污染的光学元件会引起气室透光率的变化，而固定波长的光源又无法区别气体和粉尘的吸收，因此无法自动修正粉尘对光学元件的污染影响。而半导体激光的波长可通过调制工作电流而被扫描，使激光波长既扫描过有气体吸收的区域，也扫描过没有气体吸收的区域。当波长位于吸收区域时可测得包含气体和粉尘在内的总透光率T总，当波长位于无气体吸收区域时可以测得粉尘透光率T粉尘，从而可以准确获得被测气体的透光率T气体 =T总/ T粉尘。DLAS技术通过激光波长扫描技术修正了粉尘和视窗污染对测量的影响。 3. 不受被测气体环境参数变化干扰。被测气体环境参数—温度或压力变化通常导致谱线强度和展宽发生变化，对温度或压力信号不加修正就会影响测量结果。而DLAS技术是对被测气体单一吸收谱线进行分析，因此可较容易地对温度、压力效应进行修正。为此LGA-4100系统内置了温度和压力自动修正功能，能根据实际测量得到的被测气体温度和压力对气体成分测量值进行自动修正，从而可实现精确的在线气体分析。 综上所述，单线光谱技术、激光波长扫描技术和环境参数自动修正技术使DLAS技术可以被用于实现气体的原位分析，因此比非分光红外等传统采样气体分析系统具备更强的环境适应性。并且由于激光气体分析系统省却了采样预处理装置，结构简单、无运动部件，维护标定方便、可靠性高，响应速度快而准确，大大提升了在线过程气体检测的水平。 该系统特点： 1.无需采样，现场测量。 2.响应速度快（1秒）。 3.测量精度高（≤ ± 1%）。 4.不受背景气体交叉干扰。 5.自动修正粉尘及光学视窗污染影响。 6.结构简单紧凑、可靠性高，操作维护方　　便，运行费用低。 7.一体化正压防爆技术，模块化设计，可　　现场更换所有功能模块。 聚光科技在产品核心及关键技术领域拥有自主知识产权，现已申请并拥有多项发明专利、实用新型专利和软件著作权。其研发生产的激光现场在线气体分析系统于2003年经国家法定检测部门检测，精度达到1级。系统能够在高温、高粉尘、高流速、强腐蚀等恶劣环境下现场分析气体浓度和热值等。为各行业提供迫切需要的非接触、实时、远程、多点连续的自动监测解决方案，并为优化生产工艺、节能降耗、能源气回收、安全及环保监测等提供了有效保障。 那么为什么武钢计控公司会选择聚光科技呢？ 除了聚光科技，还没有一家公司有实力去研发生产激光现场在线气体分析系统。作为全球不多的激光在线气体分析系统的开发和供应商，聚光科技解决了以下技术难点： 第一，半导体激光吸收光谱技术。解决包括半导体激光波长锁定技术（使激光频率长时间稳定在吸收谱线频率处）、高灵敏度的调制光谱检测技术、光学Etalon噪音有效抑制方法等，并建立和完善了重要工业气体成分的吸收光谱数据库（吸收谱线位置、不同温度下的压力展宽、吸收谱线线强及其与温度的关系等）等。 第二，高性能半导体激光电流源技术。半导体激光器非常容易被浪涌电流和高频电磁辐射损坏，为此聚光科技开发了用于各工业现场的低噪音半导体激光电流源技术，在半导体激光电流源电路中设计大量保护电路模块来抑制各种原因产生的浪涌电流和电磁辐射。同时，还通过降低激光电流源的噪音来降低激光强度噪音，从而提高系统的检测灵敏度。 第三，微弱信号检测技术和电磁兼容技术。为了提高检测灵敏度，除了降低上面提到的光学Etalon噪音外，还要降低各种电磁干扰噪音。为此研发了高性能的微弱信号检测技术（低噪音设计、采用锁相放大技术）和电磁兼容技术（如良好接地、电缆线屏蔽等）。第四，吸收光谱信号分析算法。激光在线气体分析系统实现了从测量获得的调制光谱信号中直接提取谱线展宽的数字信号处理方法，从而可以准确修正气体组分变化对气体浓度测量的影响。很多时候，光学Etalon噪音或其他噪音的频率与信号频率接近，而聚光科技研发的、适用于这种情况下的噪音抑制算法，大大提高了恶劣工况下激光在线气体分析系统的检测灵敏度和可靠性。 聚光科技不仅掌握世界尖端科技——激光吸收光谱技术，可以解决和突破以上难点，而且与现有其他分析系统相比，聚光科技研发生产的激光在线气体分析系统还实现了以下技术创新： 第一，开发的半导体激光在线气体分析系统实现了气体浓度的现场、连续测量，避免了背景气体的交叉干扰，自动修正粉尘、视窗污染所带来的数据误差。由于采用非接触式光学测量而适用于强腐蚀、高温、高压、高粉尘的恶劣环境，解决了现有常用采样方式“在线”分析系统的弊病。该技术创新点经鉴定为国内首创、国际先进。 第二，在使用光谱技术测量气体成分时，如果气体组成、温度和压力发生了变化，则气体的谱线展宽就会相应变化，从而影响测量的准确性。国外同类产品都是通过测量气体温度、压力，并且估计测量环境中的气体组成来计算谱线展宽，从而对测量气体成分进行修正。这种修正策略的难点在于无法准确估计测量环境中的其他气体组成，从而造成测量误差。对于此难点，聚光科技在国际上率先实现了通过数字信号处理的方法直接从检测的调制光谱信号中准确提取谱线展宽，从而避免了谱线展宽变化导致的测量误差。 第三，国际上现有同类产品一般都只有4-20mA电流、RS232等数据输出方式，聚光科技的激光现场在线气体分析系统除了以上方式外，还开发了可选配的无线数据传送模块，使本产品具有无线网络传输功能。该无线数据传输模块可以实现：对仪器内嵌程序版本实现无线远程升级；分析信息、数据的远程传输；远程收集系统工作状态，实时设置仪器参数等。这是国际上首次在半导体激光在线气体分析系统上实现无线数据传送。 与国外同类产品相比，LGA系列激光在线分析系统在软硬件方面也具有明显优势： 首先，它具有自动谱线展宽修正功能，分析气体浓度时不受被测气体环境中气体组成变化的影响，可应用于气体组成有较大变化的场合。 其次，LGA系列产品可选配GPRS无线数据传输模块，通过该模块，聚光科技可为用户提供远程程序升级、设置和优化分析系统参数等服务。而且，国外引进关键技术和部件，国内进行研发并量身定制，充分考虑了国内用户的现场工况和供货需求，为项目的按期、顺利实施也提供了有效保障。 聚光科技为武钢计控公司此项目解决了一些关键的工艺需求。 首先是响应速度。气体分析的重要因素是分析仪器的响应速度，激光在线气体分析系统实现“在位”测量和毫秒级响应，响应时间1s，避免了采样预处理响应滞后带来的安全隐患。 其次是样气排放。工艺管道中有大量有毒、有害气体，传统分析系统的尾气排放不仅会造成环境污染和爆炸，对操作人员身体也有害处。激光在线气体分析系统无需抽气检验，没有样气排放问题。 第三是测量精确度。测量的准确性关系到对安全隐患判断的准确性问题，激光现场在线气体分析对原始气体进行分析，不改变气体成份，测量准确度为± 1%。第四是维护、标定。系统维护和标定的工作量不仅牵涉人力物力，而且降低了开表率。激光在线气体分析系统的年维护和标定次数2次/年；且维护标定非常方便。 最后是运行费用。设备的选型不仅考虑一次性投资，还要考虑将来的运行和维护成本。激光在线气体分析系统无需备品备件，运行成本仅为电费、气源费和标定气费用。

据《日刊工业新闻》报道，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。　　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。　　报道称，该研究成果的意义还在于，利用作为导线的铜箔可实现理想的X射线激光器，预示了将来使用电路板铜线实现X射线激光器的可能性。

据激光加工专委会统计，2023年中国激光产业产值约980亿元，直逼千亿元大关。 据MRFR数据显示，预计2026年全球激光加工市场规模将达到61.1亿美元。 中国激光产业正处于成长期，预计2024-2029年，我国激光产业市场规模将以20%左右的增速增长，到2029年产业规模或超7500亿元。可见，激光产业有着巨大的市场潜力。激光技术市场需求已成为国内外企业重点关注的话题之一。我国激光技术的市场需求主要在哪里？中国激光技术目前已应用于光纤通信、激光切割、激光焊接、激光雷达、激光美容等行业，涉及多个领域，形成了完整的产业链。激光切割激光焊接激光美容比如在工业制造领域，激光已成为需求极大的一种工具。用户可利用激光束对材料进行切割、焊接、打标、钻孔等，这类激光加工技术已在汽车、电子、航空、冶金、机械制造等行业得到广泛应用。新能源汽车制造激光打标激光钻孔激光这个“潜力股”跟热成像有关系吗？在激光这个庞大的产业链中，激光器和激光设备两个环节的竞争尤为激烈。激光器是产生、输出激光的器件，是激光设备的核心器件。从激光器来看，光纤激光器由于具备电光转换效率高、光束质量好、批量使用成本低等优势，可胜任各种多维任意空间加工应用，成为目前激光器的主流技术路线，在工业激光器中占比过半。对此值得关注的是，在光纤激光器的生产质检过程中，热成像仪可以发挥极大的应用价值。比如在大功率光纤激光器的制造过程中，严重的缺陷会导致光纤熔接处异常发热，从而对激光器造成损坏或烧掉热点。因此，光纤熔接接头的温度监测是光纤激光器制造过程中的一个重要环节。使用红外热像仪可以实现对光纤熔接点的温度监测，从而判断产品质量是否合格。在光纤激光器生产质检中，热成像还可以如何发力？先简单了解下，光纤激光器的组成和工作流程：注解：单条激光的功率有限。在泵浦和合束器的双重加成下，激光的输出功率会变得更大。在上述流程中，热成像可以有如下应用：① 光纤熔接点质量监测光纤之间会有很多焊接点，光纤熔接处可能存在一定尺寸的光学不连续性和缺陷，借助热成像仪可以监测光纤熔接点的温度有无异常，判断熔接点是否存在缺陷，提高产品质量。② 泵浦检测泵浦在工作时会产生大量热量，其温度会直接影响芯片输出的激光波长，使用热成像仪可以对每台泵的来料进行质量检测，保证激光器质量。③ 合束器检测通过热成像仪，既可以判断合束器温度是否异常，也可以检测合束聚合后，输入和输出光纤受热是否均匀。

p 近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张子旸研究员与国家纳米中心刘前研究员合作，在NanoLetters上发表了研究论文，报道了一种他们开发的新型5nm超高精度激光光刻加工方法。 　　/pp　　据悉，研究团队设计开发了一种新型三层堆叠薄膜结构。在无机钛膜光刻胶上，采用双激光束交叠技术，通过精确控制能量密度及步长，实现了1/55衍射极限的突破，达到了最小5nm的特征线宽。/pp　　此外，研究团队利用这种超分辨的激光直写技术，实现了纳米狭缝电极阵列结构的大规模制备。同时，该团队还利用发展的新技术制备出了纳米狭缝电极为基本结构的多维度可调的电控纳米SERS传感器。/pp　　值得一提的是，研究团队所开发的具有完全知识产权的激光直写设备，利用了激光与物质的非线性相互作用来提高加工分辨率，其有别于传统的缩短激光波长或增大数值孔径的技术路径；并打破了传统激光直写技术中受体材料为有机光刻胶的限制，可使用多种受体材料，极大地扩展了激光直写的应用场景。/pp　　目前，该工作得到了国家重点研究计划项目、国家自然科学基金、Eu-FP7项目、中国博士后科学基金的支持。/p

为满足先进的科学实验需求，双色自由电子激光（FEL）成为了国际上高增益自由电子激光研究发展的前沿方向。近些年来，回声增强高次谐波产生（EEHG）、这一全相干FEL新运行机制发展迅速，该机制可以有效提高外种子FEL 的高次谐波转换效率，在正常能量调整深度条件下，可以产生种子激光波长的几十次谐波的微聚束，进而有可能利用单级 EEHG、通过常规的紫外波段的种子激光，产生软 X 射线波段的全相干FEL。上海软 X 射线自由电子激光装置（SXFEL）是我国第一台X射线自由电子激光装置，EEHG也是SXFEL的基本运行模式之一。在这些背景下，我们在SXFEL装置上开展了基于EEHG模式的全相干软 X 射线双色FEL研究。本研究课题提出了在 SXFEL 装置上、基于 EEHG产生双色 FEL 的新方案，利用双色双脉冲的种子激光系统，采用 EEHG 运行模式，产生软 X 射线波段的全相干双色 FEL，基本布局如图1中所示。在该方案中，由于所用种子激光包含两个中心波长不同的脉冲，因此最终通过EEHG产生的也是两个中心波长不同的软X射线FEL脉冲，也即产生了双色FEL。图1 双色FEL方案基本布局双色双脉冲种子激光是该方案的关键核心技术之一，其设计如下图2所示，基本方案是将 800 nm 常规激光分到两路三倍频系统，通过调节两路三倍频中 BBO 晶体的角度来独立调节输出紫外激光的中心波长，并且在一路三倍频系统中加入可调的时间延迟机构，之后将两路紫外激光合束，得到实验所需的双色双脉冲种子激光。图2 双色双脉冲种子激光系统研究团队首先搭建了该种子激光系统，测试了两路三倍频产生紫外激光脉冲的能力，给出了三倍频的转换效率，同时测试了种子激光的中心波长如图3（a）中所示，得到了中心波长分别为 264.85 nm 和 266.28 nm的双色种子激光，在图3（b）中还展示了双脉冲种子激光的时间延迟，采用互相关法测量了双脉冲激光的脉宽以及时间间隔，单个紫外激光的脉冲宽度均为 170 fs，两个脉冲之间的时间间隔约为2 ps，通过调节光契角对，可以在 0-1 ps 之间连续改变两束紫外光的时间间隔。图3 双色双脉冲种子激光光谱（a）与脉冲时间延迟（b）测试结果最后，根据 SXFEL 装置的实际束流参数，利用该双色双脉冲种子激光，进行了三维的 FEL 数值模拟，模拟结果表明，最终可以获得中心波长分别为 5.884 nm 和 5.894 nm、峰值功率约 300 MW的全相干软 X 射线双色 FEL 辐射脉冲，如图4中所示。图4 全相干软X射线双色FEL功率（a）和光谱（b）

新华网东京6月12日电 日本研究人员近日利用X射线自由电子激光装置成功发射出波长仅0.12纳米的X射线激光，刷新了这种激光最短波长的世界纪录。　　根据日本理化研究所和高辉度光科学研究中心联合发布的新闻公报，来自这两家机构的研究人员利用建在兵库县的X射线自由电子激光装置发出了波长仅0.12纳米的X射线激光，打破了美国的直线加速器相干光源于2009年4月创下的0.15纳米的最短波长世界纪录。　　公报说，研究人员将X射线自由电子激光装置的监视器、电磁石等硬件，以及精密控制各种仪器的软件都按最佳设计进行了彻底调整，从2月底装置运转开始，仅用了3个多月时间就发射出了世界最短波长的X射线激光。而当年美国的调整过程花费了几年时间。　　X射线激光的波长小于1纳米，它被看作能给原子世界照相的“梦幻之光”。在从基础研究到应用开发的广阔领域，比如膜蛋白的结构分析、纳米技术等领域，X射线激光的应用前景都被看好。

近日活力激光科技有限公司(以下简称“活力激光”)宣布完成数千万人民币A轮融资，由亦庄资本独家投资。本轮资金将主要用于研发和生产千瓦级半导体激光器(1千瓦至1万瓦)系列产品，在激光焊接和激光表面处理领域进行推广应用。　　活力激光成立于2019年12月，主要专注于高功率半导体激光器的研发、生产和销售，整体技术及生产能力覆盖各种功率、波长和封装形式的半导体激光器，核心产品包括固体激光器泵浦源、千瓦级半导体激光器、以及应用于医疗美容等领域的小功率半导体激光器。公司在深圳宝安设有一处工厂，面积达3500平方米，其中无尘车间2000平米。　　目前，活力激光团队规模超70人，核心成员曾任职于JDSU等头部激光器公司。公司创始人兼CEO蔡万绍拥有二十余年半导体激光器研发与生产经验，先后任职于JDSU/Lumentum、Oclaro、西安炬光等公司。　　据Emergent Research相关报告数据，2021年全球半导体激光器市场规模为81.9亿美元(约551.9亿人民币)，预计2022-2030年间年复合增长率为6.7%。值得一提的是，半导体激光器在医疗保健领域的应用价值高，目前已广泛用于医疗诊断、美容手术和治疗，这一方向也将成为半导体激光器市场增长的重要驱动力，而随着技术的突破，半导体激光器在工业加工领域的直接应用也将被打开，想象空间极大。　　全球激光器市场核心玩家包括起步较早的通快、朗美通、恩耐、相干、业纳等国外公司，也有起步较晚但发展较快的锐科、英诺、炬光、长光华芯等国内公司。在成熟的光纤激光器领域，市场竞争相当激烈，从各大上市光纤激光器公司的财报中，可明显看到竞争激烈导致的价格下跌。　　蔡万绍告诉36氪，为了避开同质化竞争激烈的细分市场，活力激光以产品创新作为突破口，采用国产芯片，率先在国内开发出878.6nm锁波长窄光谱的半导体激光器，以及1440nm二维点阵激光器，在固体激光器泵浦和激光嫩肤美容领域，打破了国外玩家的垄断，实现国产替代，目前该产品已逐渐放量增长。　　“未来3-5年是激光芯片国产替代的重要时间窗口，也是半导体激光器创新发展的关键机遇。”蔡万绍提到，活力激光已经和国内多家激光芯片供应商展开合作，定制开发波长多样化的半导体激光器，包括1550nm(照明应用)、1470nm(医美应用)、780/766nm(碱金属气体激光器泵浦)、405nm/450nm/650nm(加工及照明应用)、以及常见的976nm和808nm激光波长，并同步研发千瓦级半导体激光器，覆盖1千瓦至1万瓦功率，取得了巨大进展。　　相对来说，固体激光器的优势应用领域是非金属材料及合金材料的精细加工，光纤激光器的优势应用领域是钢铁材料的大功率激光切割，而半导体激光器凭借高功率、低能耗、高性价比、体积小、重量轻、波长多样性等优势，将在铁、铜、铝等金属材料的激光焊接和激光表面处理领域得到举足轻重的应用。　　在蔡万绍看来，如果充分利用半导体激光器的优势展开产品研发布局，有望让半导体激光器在工业加工、医疗美容、照明显示、激光雷达等领域的总体应用量，提升至与光纤激光器、固体激光器同等的水平，逐步构建出三种激光器三分天下的格局。“我们的中期目标是成为国内领先的半导体激光器供应商。”他说。　　目前，活力激光客户已覆盖多家激光器、机器视觉、医疗美容等领域上市公司，并在公司成立以来，保持了100%以上的年营收增长率，预计2023年收入将突破亿元关口。