激光谐振腔设计

近日，由中央民族大学主办的“中央民族大学国际联合光子技术研发中心学术委员会第一次会议”和由中关村光电产业协会组织的“成果鉴定会”举行。　　针对国际联合光子技术研发中心研发的基于MEMS的三通道C波段可调谐光纤激光器原理样机，由中国工程院周立伟院士和中国科学院杨国桢院士、陈良惠院士等国内相关领域十余位权威专家学者组成的鉴定委员会在听取研制报告、测试报告和查新报告，观察样机演示，并通过质询和讨论认为，该原理样机在多波长激射和调谐机制、光纤谐振腔与光路设计等多方面具有创新性，多项性能指标达到国际先进水平。　　中央民族大学副校长宋敏出席会议，并为新成立的国际联合光子技术研发中心学术委员会委员颁发聘书。宋敏表示，中央民族大学通过搭建研发平台推动科研攻关，不仅是推动少数民族和民族地区发展的有效方法，更是建成特色鲜明、国际知名的高水平研究型大学的新途径。国际联合光子技术研发中心平台建设是中央民族大学的一次新尝试，在较短时间内推出科研成果振奋人心，不仅对人才培养模式指明了新方向、提出了新思考，而且积极探索了开展产学研用深度合作的有效方式。　　国际联合光子技术研发中心由中央民族大学理学院联合北京交通大学、北京邮电大学、大恒科技股份有限公司、澳大利亚埃迪斯科文大学、韩国光州科学技术研究院共同组建，旨在结合国际光电科研与行业需求研发新型光电技术和产品。可调激光器是该中心研究团队推出的最新研究成果。

p style="text-indent: 2em text-align: justify "近日，位于河北兴隆国家天文台的“LAMOST激光信标系统”项目通过中科院条财局组织的专家验收，该项目在中科院重大科技基础设施项目的支持下，由南京天文光学技术研究所李国平团队和福建物构所林文雄团队共同合作完成。br/ 林文雄团队研制的绿光激光器作为LAMOST的核心部件——激光信标，在12公里附近产生一颗处于望远镜中心视场的7等左右的激光星，通过对大气分子的瑞利散射光波前进行采样，获 得望远镜的面形数据并传递给促动器，实现了望远镜的主动光学校正。br/ 在激光器研制过程中，为了克服超长激光谐振腔的光学畸变问题，创新性采用时序控制及4f像传递技术，突破了一般工业用途激光器20 ns脉宽的瓶颈，研制出65 ns脉宽的激光器。为了使激光器能够适应-30℃～+40℃的环境温度，一方面采用热膨胀系数较低的材料作为激光器底板，并且通过合理的光学设计使激光谐振腔处于稳腔状态；另一方面，自主研发出自适应光学调整架，能够利用自身形变抵消环境温度变化引起的应力，保证了激光谐振腔在环境温度变化时的稳定性。这些技术为实现7等激光星以及精确测量瑞利散射光波前提供了有力的保障，相关的研究工作申请了专利3件，其中授权专利2件，发表文章1篇。br/ 激光器各项指标均优于合同指标：激光功率33 W，功率稳定性为0.7%；重复频率12 kHz；脉冲宽度65 ns；光束质量M2 = 1.3。验收总结会上，激光器稳定的性能指标得到了专家组的一致好评，由激光器产生的人工信标大大缩短了主动光学的校正时间，提高了LAMOST的巡天效率，为我国自主研制用于大气校正的激光导星系统提供了重要技术储备。/p

成果名称亚赫兹激光器与超窄线宽测量技术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 &radic 原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产成果简介：超窄线宽激光是光通信、光传感、高精度光谱学等应用中的一个关键技术，也是一些基本物理参数测量的重要工具，而超窄激光线宽测量是实现超窄线宽激光器所必需的辅助技术。在&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金第三期项目中，北京大学信息学院李正斌教授申请的&ldquo 亚赫兹激光器与超窄线宽测量技术研制&rdquo 项目提出并研究了一种获得窄线宽激光器的新机制，即光路分形结构机制。课题组前期的实验发现，在单环有源光纤谐振腔中引入光路分形结构能够获得类似多谐振环耦合的特性，与相同长度的光纤谐振腔相比，其输出激光线宽明显变窄。基于这一发现，课题组在第三期基金的经费资助下，开展了深入的研制工作。其工作主要包括：（1）以理论与实验相结合为手段，以光纤结构为对象，探索利用光路分形结构设计和实现单纵模输出、高频率稳定、线宽赫兹（Hz）以下量级的超窄线宽激光器的原理和方法，并获得原理样机；（2）利用互拍以及光域鉴频的技术设计并搭建超窄线宽激光器的测试平台，实现赫兹（Hz）以下量级超激光线宽的测量。应用前景：目前，该项目主要工作已经顺利完成，项目成功通过验收。其研究成果为获得超窄线宽激光器提供新途径，也为光通信、光传感等研究和应用提供了新的手段，相关技术处于成果转化阶段。

有机固体激光器因其制备简单、价格低廉和易于集成等优势，一直以来备受科研工作者的关注。与无机激光介质相比，有机激光材料来源广泛，并且具有发射光谱宽、受激发射截面积大等特性，近年来在激光显示、生物传感器等应用方面显示出很大的应用前景。在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，中国科学院化学研究所分子动态与稳态结构国家重点实验室和光化学院重点实验室研究员付红兵课题组近期在设计有机共轭小分子近红外发光材料的基础上，发展了有机固体微纳近红外激光器。　　传统无机半导体垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser, VCSEL)由上下两层反射腔镜以及夹在中间的活性层材料组成，需要复杂的工艺流程和昂贵的成本。相比较而言，有机半导体材料可以通过低温溶液加工工艺进行激光器谐振腔的构筑。科研人员从1，4-二芳乙烯基苯(DSB)入手，利用溶液自组装的方法制备了六边形微米盘单晶。利用这种微米片状结构所形成的回音壁模式(Whisper Gallery Mode)的光学微腔，通过调控微米片的尺寸，分别实现了单模和多模的激光发射 (Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5863) 进一步基于有机分子的可裁剪性，系统研究并揭示了分子结构—微纳谐振腔—激光性能三者之间的内在关联规律，为高性能有机固体激光器提供了新的设计思路 (J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16602) 与此同时科研人员把材料体系拓展到有机无机杂化钙钛矿材料，实现了绿光波段的激光发射 (Adv. Mater. 2015, 27, 22)。　　最近，研究人员通过把“分子内氢键”引入有机共轭小分子的策略，合成了固体发光量子效率高达15.2%的近红外发光材料?查耳酮衍生物DPHP。由于DPHP的双亲性质，用溶液自组装方法自下而上构筑了有机微米半球的回音壁谐振腔。与此同时，DPHP材料自身超快的辐射速率，避免了在高强度泵浦光下的激子-激子湮灭现象，使得DPHP材料发出的近红外荧光在回音壁腔中实现了光的受激发大，这也是基于非掺杂型有机固体近红外激光的首例报道(J. Am. Chem. Soc. 2015, DOI:10.1021/jacs.5b03051)。文章在线发表后，美国《化学与工程新闻》(C&EN)周刊网站，以Organic Lasers Shine Bright in the Infrared 为题对此工作进行了相关报道并且给予了高度评价：“Easy-to-build hemispheres could prove widely useful for lasing applications”。图1 北京天坛(回音壁)和有机六边形微米盘中光波的回音壁现象图2 有机固体近红外激光器示意图

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。

记者日前从中国科学技术大学获悉，该校化学与材料科学学院张其锦教授研究组与张群副教授研究组合作，研制出基于极弱纳米颗粒散射体系的低阈值、方向性好、可调控的相干随机光纤激光，并论证了其机理。研究成果近日发表在国际著名学术期刊《物理评论快报》上。　　传统激光除了需要增益介质如激光染料、稀土离子等外，还必须有光学反射镜所组成的高稳谐振腔。而随机激光则仅依赖于增益介质和散射介质，其光学回馈通过散射介质的多重散射实现。但由于随机激光具有无方向性等缺点，因此具有方向性的随机光纤激光自2007年问世以来引起了人们的极大兴趣。然而，迄今报道的基于纳米粒子多重散射的随机光纤激光研究，只观察到非相干随机激光行为，这种激光由于光波的强度或能量反馈而仅呈现光谱窄化现象。　　在国家自然科学基金委、科技部及中科院资助下，张其锦、张群等人将基于纳米粒子多重散射的随机光纤激光工作机制，首次由非相干拓展到相干，这种激光由于散射光波的干涉效应而产生亚纳米谱宽的激光峰。研究人员将POSS纳米粒子、PM597激光染料以及二硫化碳分散相溶液注入到空心光纤中，构建了一个在极弱散射机制下工作的相干随机光纤激光系统 然后通过精心设计的调控实验和理论分析，证明其相干工作机制主要源自被光纤波导效应大大增强的纳米粒子的多重散射。　　据介绍，与传统随机激光相比，相干随机光纤激光具有阈值低、方向性好等优点，有望应用于动态光疗与肿瘤探测、集成光学器件、无散斑全场激光成像等领域。《物理评论快报》审稿人认为：“本工作在随机激光领域起到显著的里程碑的作用 从基础物理学角度来看，本工作无疑构成了一个非常有趣的研究课题。”

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，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

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所单元技术实验室与国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院(简称“杭高院物光学院”)胡丽丽教授工作室合作，在低损多模反谐振空芯光纤的研发制备研究中取得重要进展。该研究成果以“Low-loss multi-mode anti-resonant hollow-core fibers”为题发表于美国光学协会期刊《光学快讯》(Optics Express)。 　　近年来，反谐振空芯光纤因具备宽带、低损的传输特性而广受关注。利用仅有波长量级厚度的负曲率玻璃芯壁，反谐振空芯光纤能将绝大部分光束缚于空气芯中，从而克服了基体材料本征的影响，展示出超低材料损耗、超低色散、超低非线性和极高激光损伤阈值的特性，是未来高效传输超高功率激光以及紫外/中红外极端波长激光的有力备选材料。目前报道的反谐振空芯光纤大多以5至8个包层毛细管设计为主，并利用芯包相位匹配原则实现准单模传输。然而，单模设计在应对高功率、低光束质量激光的传输时很可能造成耦合效率低下和潜在的激光损伤，而低损多模反谐振空芯光纤则有望解决这一问题。目前，该方向研究仍处于起步阶段，有关仿真研究提出的低损多模反谐振空芯光纤结构较为复杂，制备困难，目前尚无具备实用性的低损多模反谐振空芯光纤报道。 　　在本项研究中，研究人员设计制备了包层区域由18个扇形谐振器组成的反谐振空芯光纤，其中芯径约66 μm而光纤外径约为193 μm。经过截断法测试，所研制的光纤具备近一个倍频程的传输带且平均损耗低于0.5 dB/m，其中1微米附近损耗更低于0.1 dB/m。此外，弯曲半径大于8 cm时在1微米附近因弯曲引发的损耗不超过0.2 dB/m。研究人员进一步使用S2技术来表征23.55米反谐振空芯光纤中的多模传导特性，结合仿真总共鉴定了七种类LP模式成分。此外，研究人员还通过放大相同的设计制备了用于中红外波长传输的多模反谐振空芯光纤，并且传输带可扩展到4μm以上。新型低损多模反谐振空芯光纤的出现为解决劣化光束质量激光(如固体激光器，光参量放大器等)高功率长距离传输提供了可能。图1 所制备空芯光纤的(a)电镜图和(b)(c)传输/损耗性质图2 差分群时延曲线及其中红星标记峰处的模式重建图：(a-i)S2测试结果；(j-t)仿真结果

科技日报华盛顿4月27日电 由美国西北大学和杜克大学组成的联合研究小组利用液体激光增益材料，成功研发出实时可调节的等离子体激光器。该研究发表在近期出版的《自然通讯》杂志上。　　通过传统激光技术，光只能聚焦到其频率的一半，即所谓的衍射极限。对此，科学家们已经找到了突破这一极限的办法，通过建立等离子体激光，将激光束和金属(例如黄金)表面的等离子体(振动表面电子)结合，排在一个阵列中。不过，这种方法也有其局限性，因为它不得不依赖固体激光增益材料，导致激光不易调整，且不是实时的。而美联合研究小组的新研究成果，通过利用一种液体作为激光增益材料的方法，能够达到实时调节激光。　　研究人员使用金阵列、等离子体纳米谐振腔阵列和液体染料溶剂作为增益材料，这样就可通过改变染料的折射率改变激光的波长。与以固体为基础的增益材料相比，新成果具有两个主要优势：首先染料能够快速溶解在不同溶剂中，具有不同的折射率，可实时调节激光 其次，因为增益材料是液体，可以通过通道灌入腔体，即可通过使用不同的液体动态改变。

p　　复旦大学信息科学与工程学院吴翔教授、陆明教授和张树宇副教授团队合作，研制出世界上首个全硅激光器。相关研究成果日前以快报形式发表于《科学通报》(Science Bulletin)。/pp　　据悉，不同于以往的混合型硅基激光器，这次研究最终实现由硅自身作为增益介质产生激光。/pp　　集成硅光电子结合了当今两大支柱产业——微电子产业和光电子产业——的精华。硅激光器是集成硅光电子芯片的基本元件，是实现集成硅光电子的关键。集成硅光电子预计将广泛应用于远程数据通信、传感、照明、显示、成像、检测、大数据等众多领域。/pp　　然而，硅自身的发光极弱，如何将硅处理成具有高增益的激光材料，一直是一个瓶颈问题。自2000年实验证明硅纳米晶材料可以实现光放大以来，这一瓶颈始终限制着硅激光器的发展。/pp　　早在2005年全硅拉曼激光器问世时，有关“全硅激光器”的新闻就曾引起过社会关注。然而，这是一种将外来激光导入到硅芯片后产生的激光器，硅本身并不作为光源。同年，混合型硅基激光器面世。这种激光器是在现有的硅基波导芯片的基础上，直接粘合上成熟的III-V族半导体激光器，使两个部件组合成为一个混合型硅基激光器。同样，硅本身不是光源。混合型激光器和现有硅工艺兼容性较差，还会产生晶格失配问题。/pp　　专家介绍，这次研发的硅激光器与以往不同，它的发光材料(增益介质)是硅本身(硅纳米晶材料)，激光器可做在硅芯片上，所以是真正意义上的全硅激光器。复旦大学研究人员首先借鉴并发展了一种高密度硅纳米晶薄膜制备技术，由此显著提高了硅纳米晶发光层的发光强度 之后，为克服常规氢钝化方法无法充分饱和悬挂键缺陷这一问题，又发展了一种新型的高压低温氢钝化方法，使得硅纳米晶发光层的光增益一举达到通常III-V族激光材料的水平 在此基础上还设计和制备了相应的分布反馈式(DFB)谐振腔，最终成功获得光泵浦DFB型全硅激光器。这种激光器不仅克服了半导体材料生长过程中会产生的晶格失配和工艺兼容性差的问题，同时，作为地表储备量第二丰富的元素，以硅做光增益材料也可以避免对稀有元素如镓、铟等的过度依赖。/pp　　目前，全硅激光器仍需采用光泵浦技术，在紫外脉冲光的激励下，由硅材料自身产生激光。未来，复旦大学团队还将进一步研发和完善电泵浦技术，通过向硅纳米晶激光器内注入电流，产生激光输出，以电发光，走完距离实际应用的最后一公里，促进全硅激光器的产业化发展。/p

区别于普通光源，激光具有相干性高、单色性纯和方向性好等优点。因此，自激光问世以来，科学家们一直致力于激光参数极致调控的研究，以推动科学研究和工业应用的发展。其中，光谱纯度是决定激光相干性的关键因素。激光运转过程中自发辐射对其强度和相位的影响、泵浦源的功率抖动、谐振腔的温度变化和振动以及发光增益介质的晶格缺陷等原因都会对激光器的线宽进行展宽，从而降低输出激光的相干性。基于稳频控制的腔外伺服电学反馈技术和基于光子寿命延长的固定外腔光反馈技术是当前实现窄线宽激光输出的常用手段。腔外伺服电学反馈技术的核心是引入高稳定度频率基准参考源，固定外腔光反馈技术实现线宽压缩的程度有限，且不能自动匹配主腔激光波长的变化。因此如何在常态条件下实现激光线宽深度压缩的同时，还能自适应波长的变化具有重要的科学意义和工业应用价值。重庆大学朱涛教授团队从源头出发，系统深入地研究了超窄线宽激光的波长自适应光谱纯化机制，提出通过外部微弱的分布扰动信号来有效抑制激光腔的自发辐射，从而在常态条件下实现激光光谱深度纯化的思想。在此基础上提出了一种主腔结合弱分布反馈外腔的激光新构型，这种构型对光纤激光器、半导体激光器等具有增益类型的激光器均适用，并且弱分布反馈的方式可以通过连续波导实现连续的弱分布反馈，也可采用干涉结构如WGM等实现离散的弱分布反馈，其中弱分布反馈的物理过程可以是瑞利散射，也可以是构建的分布弱反射等。他们在论文中展现了半导体DFB激光器结合弱分布反馈的超窄线宽激光器，在常态条件下实现了十赫兹量级的自适应输出（理论上该线宽可以低至赫兹以下）。分布弱反馈深度压缩激光线宽的核心首先是减缓了激光腔内运转过程中自发辐射的耦合速率，从而大幅减小了激光本底线宽；其次是较弱的分布反馈可对激光腔中光子相位在时空域上进行自适应连续修正，避免了固定外腔反馈形成的激光相位突变和多纵模振荡，保证激光单纵模持续运转的同时可实现激光线宽的极致压缩。这项工作为在常态条件下实现自适应超高光谱纯度激光提供了有力的理论和实验基础。图1 激光光谱纯化原理图图2 光谱纯化及自适应动态演化过程该研究团队提出的思路和激光构型为改进和获得各种增益类型的高相干激光光源打开了新的视野，对实现其它激光参数的极致调控也具有重要的参考意义。目前，研究团队下一步将在高相干的基础上进一步研究激光时频空参数的极致调控，并推动激光精密测量领域向着精度更高、速度更快、范围更广的方向发展。该工作以“Ultra-high spectral purity laser derived from weak external distributed perturbation”为题发表在Opto-Electronic Advances （光电进展）2023年第2期。

p　　自1960年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器，我国也于1961年研制成功国产首台红宝石激光器（诞生于中国科学院长春光学精密机械研究所）以来，激光技术被认为是20世纪继量子物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学技术新成就。br//pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/fa6ca572-ac36-49a3-8c53-3b3f8b976589.jpg" title="1.jpg"//pp　　如今，我们家中用的CD和DVD播放器，办公室的激光打印机和商场的条码扫描器都有激光。人们用激光治疗近视视力，通过光纤网络发送邮件浏览视频。无论我们是否意识到，我们每个人每天都使用激光，但是有多少人真正了解激光是什么，如何工作？/pp　　激光，是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的，具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。/pp　　激光的产生机理可以溯源到1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时提出的假说，即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程。众所周知，任何一种光源的发光都与其物质内部粒子的运动状态有关。当处于低能级上的粒子（原子、分子或离子）吸收了适当频率外来能量（光）被激发而跃迁到相应的高能级上（受激吸收）后，总是力图跃迁到较低的能级去，同时将多余的能量以光子形式释放出来。/pp　　如果光是在没有外来光子作用下自发地释放出来的（自发辐射），此时被释放的光即为普通的光（如电灯、霓虹灯等），其特点是光的频率大小、方向和步调都很不一致。/pp　　但如果是在外来光子直接作用下由高能级向低能级跃迁时将多余的能量以光子形式释放出来（受激辐射），被释放的光子则与外来的入射光子在频率、位相、传播方向等方面完全一致，这就意味着外来光得到了加强，我们称之为光放大。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/ab5eeaa4-0704-4844-ae33-97c5ada732a7.jpg" title="2.jpg"//ppbr//pp style="text-align: center "strong图：激光产生机理：（左）受激吸收，（中）自发辐射，（右）受激发射/strong/ppbr//pp　　而激光的产生需要满足三个条件：粒子数反转、谐振腔反馈和满足阈值条件。通过受激吸收，使处于高能级的粒子数比处于低能级的越多（粒子数反转），还需要在有源区两端制作出能够反射光子的平行反射面，形成谐振腔，并使增益大于损耗，即相同时间新产生的光子数大于散射吸收掉的光子数。只有满足了这三个条件，才有可能产生激光。/ppbr//ppstrong激光的特性/strong/ppbr//pp激光之所以被誉为神奇的光，是因为它有普通光完全不具备的四大特性。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/cf4f1592-b99a-4837-8b8b-afb9947bff5f.jpg" title="3.jpg"//pp1.方向性好 ——普通光源（太阳、白炽灯或荧光灯）向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光每200千米扩散直径小于1米，若射到距地球3.8× 105km的月球，光束扩散不到2千米，而普通探照灯几千米外就扩散到几十米。/pp　　激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。/pp2.亮度高 ——激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳光亮度大约是1.865× 109cd/m2，而一台大功率激光器的输出光亮度可以高出太阳光的亮度7～14个数量级。/pp　　尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度的高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术等实际应用就是利用了这一特性。/pp3.单色性好 ——光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光以及红外光、紫外光等不可见光。/pp　　而某种激光的波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8纳米，其波长变化范围不到万分之一纳米。激光良好的单色性为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。/pp4.相干性好 ——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然会是相干性极好的光。激光的这一特性使全息照相成为现实。 br//ppstrong激光器的类型/strong/pp　　在光源中，实现能级粒子数反转是实现光放大的前提，也就是产生激光的先决条件。要实现粒子数反转，需借助外来光的力量，使大量原来处于低能级的粒子跃迁到高能级上去，这个过程我们称之为“激励”。/pp　　我们通常所说的激光器，就是使光源中的粒子受到激励而产生受激辐射跃迁，实现粒子数反转，然后通过受激辐射而产生光的放大的装置。激光器虽然多种多样，但使命都是通过激励和受激辐射而获得激光。因此激光器通常均由激活介质（即被激励后能产生粒子数反转的工作物质）、激励装置（即能使激活介质发生粒子数反转的能源，泵浦源）和光谐振腔（即能使光束在其中反复振荡和被多次放大的两块平面反射镜）三个部分组成。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/34e5f14c-4b66-43c1-8be3-c64c88a23970.jpg" title="4.jpg" style="width: 590px height: 320px " width="590" vspace="0" hspace="0" height="320" border="0"//ppbr//pp style="text-align: center "strong图：激光器的工作原理/strong/pp　　由于我们可以以许多不同的方式激发许多不同种类的原子，我们可以（理论上）制造许多不同种类的激光。/pp　　激光器有多种分类方式，其中最著名的是固体，气体，液体染料，半导体和光纤激光器。固态激光器介质是类似红宝石棒或其他固体结晶材料，并且缠绕在其上的闪光管泵送其充满能量的原子。为了有效地工作，固体必须掺杂，这是一种用杂质离子代替一些原子的过程，使其具有恰当的能级以产生一定精确频率的激光。固态激光器产生高功率光束，通常是非常短的脉冲。相比之下，气体激光器使用惰性气体（即所谓的准分子激光器）或二氧化碳（CO2）作为介质的化合物产生连续的亮光。 CO2激光器功能强大，效率高，常用于工业切割和焊接。液体染料激光器使用有机染料分子的溶液作为介质，主要优点是可用于产生比固态和气体激光器更宽的光频带，甚至可“调谐”以产生不同的频率。/pp　　按波长来分，覆盖的波长范围包括远红外、红外、可见光、紫外直到远紫外，最近还研制出X射线激光器和正在开发的γ射线光器；/pp　　按激励方式不同，有光激励（光源或紫外光激励）、气体放电激励、化学反应激励、核反应激励等；/pp　　按输出方式不同，有连续的、单脉冲的、连续脉冲的和超短脉冲等；/pp　　从功率输出的大小来看，其中连续的输出功率小至微瓦级，最大可达兆瓦级。脉冲输出的能量可从微焦耳至10万以上焦耳，脉冲宽度由毫秒级到皮秒级乃至飞秒级（1000万亿分之一）。/pp　　各式各样激光器满足不同的应用要求。如激光加工和某些军用激光都要求高功率激光或高能量激光（即所谓强激光）。有的希望脉冲时间尽量缩短，以从事某些特快过程的研究。有的还对提高光的单色性、改善输出光的模式、改善光斑的光强分布以及要求波长可调等提出了很高的要求。这些要求促使着激光器的研究者不断探索，从而使激光器的探索深度和应用广度得到前所未有的发展。/ppstrong蓬勃发展的激光应用 br//strong/pp　　所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称。/pp　　50多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。/pp1、激光在信息领域的应用/pp　　半导体激光器和光纤放大器是光纤通信的两项关键技术。/pp　　半导体激光器发出的激光不仅单色性和相干性好，而且光波频率比微波频率又高万倍，故以激光为传递信息的载体，用光纤做信息传递线路的光纤通信，不仅通信质量好、抗干扰能力强、保密性好，而且通信容量比微波通信要提高上万倍。/pp　　利用激光技术进行光存储，使信息的存储发生了革命性的飞跃。一张CD声频光盘的记录密度相当于1000万bit／cm2，可记录78分钟的音乐节目，比密纹唱片要大好几个数量级。/ppbr//pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/dedc2b11-657b-46c7-b7c6-323f02c9b1b4.jpg" title="5.jpg"//pp style="text-align: center "strong图： CD或DVD播放机中的光盘的激光和镜头。右下方的小圆是半导体激光二极管，而较大的蓝色圆圈是从激光器从光盘的光滑表面反射后读取光的透镜。/strong/pp　　此外，激光打印机、激光传真机、激光照排、激光大屏幕彩色电视、光纤有线电视以及大气激光通讯等均已得到广泛应用。/pp2、激光在全息术领域的应用/pp　　光作为一种波动现象，表征它的物理量有波长（同颜色有关）、振幅（同光的强弱有关）和位相（表示波动起点同基准时间的关系）。/pp　　人们利用感光的照相方法，只能记录下波长和振幅，所以无论照得多么逼真，看照片和看真的景物总是不一样。/pp　　而激光具有高相干性，能获取干涉波空间包括相位在内的全部信息。因此，采用激光进行全息摄影，被拍物体的全部信息都被记录在底片上，通过光的衍射，就能复现被摄取物体栩栩如生的立体形象。/pp　　全息照相具有三维成像的特点，可重复记录，而且每一小块全息底片都能再现物体的完整立体形象，可广泛用于精密干涉计量、无损探伤、全息光弹性、微应变分析和振动分析等科学研究。/pp　　其中，利用全息干涉术研究燃气燃烧过程、机械件的振动模式、蜂窝板结构的粘结质量和汽车轮胎皮下缺陷检查等已得到广泛应用。并且，全息照相用作商品和信用卡的防伪标记已形成产业，用全息照相拍摄珍贵艺术品，不仅欣赏起来令人如临其境，而且为艺术品的修复提供了可靠而逼真的依据。正在发展的全息电视还将为人们增添一种新的生活享受。/pp3、激光在医疗领域的应用/pp　　激光在医学上的应用分为两大类：激光诊断与激光治疗，前者是以激光作为信息载体，后者则以激光作为能量载体。/pp　　在激光诊断方面，激光可穿透到组织较深的地方进行诊断，直接反映组织病况，给医生诊断提供了充分依据。/pp　　在激光治疗方面，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题，例如激光手术治疗切口小，对组织基本没有损害或损害极小，毒副作用反应少。目前，激光临床应用领域包括近视矫正、视网膜修补、蛀牙修复、分子级微创手术等，当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面：光动力疗法治癌；激光治疗心血管疾病；准分子激光角膜成形术；激光美容术；激光纤维内窥镜手术；激光腹腔镜手术；激光胸腔镜手术；激光关节镜手术；激光碎石术；激光外科手术；激光在吻合术上的应用；激光在口腔、颌面外科及牙科方面的应用；弱激光疗法等。目前，激光治疗在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的、强劲的发展势头。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/c865b4af-a3a7-46dd-8f4d-a512edd3bcc7.jpg" title="6.jpg"//pp style="text-align: center "strong图：激光在口腔医学领域的应用/strong/pp4.激光加工/pp　　利用激光的高强度（亮度）聚焦激光束在1 ms内能发射100J的光能量，聚焦起来足以使材料在短时间内融化或汽化，从而对不同特性难以加工的材料进行加工处理，如：焊接、打孔、切割、热处理、光刻等。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/9c933388-bd17-4722-8ba2-990a5003e9de.jpg" title="7.jpg" style="width: 600px height: 188px " width="600" vspace="0" hspace="0" height="188" border="0"//pp　　激光加工具有精度高、畸变小、无接触、能量省等优点，其应用领域几乎可以覆盖整个机械制造业，包括矿山机械、石油化工、电力、铁路、汽车、船舶、冶金、医疗器械、航空、机床、发电、印刷、包装、模具、制药等行业。其中关键零部件和精密设备的磨损和腐蚀都能很好地利用激光熔覆技术进行修复和优化，成为化腐朽为神奇的利器。/pp5.精密测量/pp　　精密测量是利用了激光单色性好、相干性强、方向性好的特点。相比于其他测距仪，激光测距具有探测距离远，精度高，抗干扰，保密性好，体积小重量轻的优点。测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光脉冲回到接收系统，测量发射与接收时间间隔。/pp　　激光同时具有高亮度和高相干性，这使得光的多普勒效应能够在测速方面得到应用。激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，激光雷达与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别，它在军事领域发挥着重要的作用，也成为环境监测的有力武器。/pp　　此外，引力波的探测也是利用激光干涉测量方法，进行中低频波段引力波的直接探测，观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射，以及其他的宇宙引力波辐射过程。/pp　　激光是20世纪人类最重大的发明之一，激光技术的应用已广泛深入到工业、农业、军事、医学乃至社会的各个方面，对人类社会的进步正在起着越来越重要的作用，正奇迹般地改变着我们的世界。/p

近日，新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的Qi Jie Wang教授团队及其合作者们通过构建光子类马约拉纳零模（Majorana-like zero mode），在量子级联激光芯片中实现单模、柱状矢量光场输出的太赫兹量子级联激光器。相关成果以“Photonic Majorana quantum cascade laser with polarization-winding emission”为题发表于期刊《Nature Communications》上。新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院博士后韩松(现为浙江大学杭州国际科创中心和浙江大学信电学院研究员)为论文第一作者，博士研究生Yunda Chua为共同第一作者；南洋理工大学电气与电子工程学院Qi Jie Wang教授为论文第一通讯作者，武汉大学信息电子学院曾永全教授为共同通讯作者。拓扑学研究的是几何物体或空间在连续形变下保持的全局性质，它只关注物体之间的空间关系而不考虑其大小和形状。对具有特殊拓扑性质的光子结构而言，空间上的缺陷和无序只会引起局部参数变化，不影响该空间的全局性质。拓扑光子结构的典型特征在于结构内部是绝缘体，而表面则能支持无带隙的界面（表面）态。受结构全局性质的规范，界面态可沿着有限光子绝缘系统的边缘或畴壁单向传输，并且能够有效地绕过结构拐角及制备误差引起的缺陷和无序而无后向散射（即拓扑保护）。因此，拓扑光子结构可用于实现高鲁棒性半导体激光器，即“拓扑激光器”。然而，拓扑激光器研究面临两大共性难题：1）需要光泵；2）需要外加磁场或者构建等效磁场来产生受拓扑保护的界面态激光模式。二者均显著增加了激光器系统的复杂程度、成本和功耗，降低了激光器的可靠性，阻碍了其实用化进程。针对上述难题，课题组前期利用量子能谷霍尔效应的原理，以太赫兹有源超晶格材料为增益介质，集成能谷光子晶体,通过简单的设计打破结构反对称性来产生“能谷-动量锁定”的边界传输模式，实现了拓扑界面态的片上单向传输和放大，从而首次研发出电泵浦拓扑激光器。然而该工作是多模激光器且其信噪比低，难以实现激光器出射光的光束控制。随后，来自南加州大学的科学家利用量子自旋霍尔效应，在室温条件下，实现近红外电泵浦单模激光。然而，该工作设计复杂的超大尺寸耦合环形谐振腔阵列实现拓扑边界态，其样品整体尺寸在200个波长以上，且需要耦合光栅增强激光输出和信噪比，难以实现光束调控、赋形、极化控制等高性能激光器。此外，两个工作均需要选择性地泵浦边界态，牺牲光子晶体体态增益材料，难以实现大面积集成的高功率激光器。因此，对电泵浦拓扑激光器性能的提升，如光束调控、赋形、极化控制、高功率输出等，亟待新的物理机制。团队创造性地将凝聚态中p波超导的马约拉纳零能模式引入到光子晶体体系，并利用光子类马约拉纳零能模式的辐射特性，实现了全动态范围单模输出（边模抑制比大于15dB，输出光率约1毫瓦）、柱状矢量光场调控、固态电泵浦、单片集成的太赫兹拓扑激光器。该成果的独特优势还有：（1）在不需要选择性泵浦的情况下，其发光腔体整体直径可以低至大约4个波长，是目前报道能保证毫瓦量级功率条件下最紧凑的太赫兹拓扑激光器（相对激光波长），这极大提升了该类半导体激光器在实际应用中的集成度。（2）光子马约拉纳微腔的自由光谱程(free spectral range)与腔体尺寸呈现二次方反比律[3]，这一特性使得光子马约拉纳微腔更容易在大面积条件下保持单模激光输出。团队也在电泵浦拓扑激光器体系中证实了该二次方反比律，并实现了大面积泵浦下高功率（大于9毫瓦）和单模激光输出，其功率是同等尺寸下脊形激光器的5.4倍。图1.光子马约拉纳激光器的示意图a和加工样品图b。图2.a.超胞（supercell）能带随Kekule调制相位的变化。b.类马约拉纳光子腔的相位分布及六方晶格位置与相位之间的关系。中心虚线圆包围的部分为非Kekule调制区域（non-Kekule modulated region），其半径标记为ζ，这里ζ=2a。图中显示马约拉纳光子腔的相位绕数为+1。c.相位绕数为+1的类马约拉纳光子腔的空气孔的大小分布。d,e.三维模拟的类马约拉纳光子腔的近场（Ez）与远场（Intensity）分布。图3. a，b实验测到的激光模式随泵浦电流密度变化，a.相位绕数+1，b.相位绕数-1。c.理论计算的净增益。d.实验测得的L-I-V曲线和在对应位置激光光谱。图4.远场测试。a.测试装置示意图。b,c.数值仿真和实验测试的远场光斑。d,e.加偏振片后的激光光谱和光斑。图5.大面积激光的L-I-V曲线，激光光谱，和单模性分析。

蓝相液晶(BPLCs)以其独特的周期结构、多刺激响应及实时可重构性等特点而具有优异的光学性能，在传感、显示及防伪等方面有着巨大的应用前景。蓝相液晶由于其带隙窄，光学性能优异可用于低阈值激光器。目前蓝相液晶激光器的研究主要聚焦在外界刺激下（如光、电、热、力等）激光波长的可调节性，而对蓝相激光器工作温度的研究尚且不足。由于BPLCs窄的温度窗口，其相应激光器的工作温域大概在3-4℃。聚合物稳定蓝相（PSBP）体系的采用已经极大拓宽了蓝相液晶的温度窗口至500度，但目前所报道的蓝相激光器的最宽工作温域不超过36 ℃。“蓝相液晶温域”与“蓝相激光工作温域”的大差异可能与所用聚合物稳定蓝相体系不合适的聚合程度（通常大部分体系可聚合液晶组分 10 wt%）有关，导致其差的结构稳定性；而对BPLCs带隙与荧光信号之间匹配性的不充分理解也限制了新颖蓝相宽温域激光器的发展。 为解决上述问题，中科院理化所仿生材料与界面科学中心江雷院士、王京霞研究员团队在前期工作中制备得到了具有宽温域（-190℃~360℃）的聚合物稳定蓝相液晶 (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.)；通过调节所制备的蓝相液晶带隙中心、染料有序度参数、谐振腔质量以及泵浦光能量，在染料掺杂蓝相液晶(C6-BPLCs)谐振腔中实现了可控的单模、双模、三模及四模面发射激光（Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.）；并且利用所制备的蓝相液晶为模板，制备得到了高分辨的多色彩蓝相液晶活图案(Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.)。 近日，该研究团队通过调控所制备聚合物稳定蓝相液晶的可聚合液晶单体含量（30 wt% C6M），形成了稳定的蓝相聚合物支架，将该聚合物稳定蓝相体系掺杂染料（DD-PSBPLCs）后，获得宽工作温域的蓝相液晶激光器（25-230 ℃）。该研究表明，宽的BP激光温域源于所用稳定的聚合支架体系，在整个激光温域范围内提供了稳定的反射信号和荧光信号，且在整个过程中始终保持了反射带隙与荧光信号的匹配性；而体系中的非聚合组分在温度变化过程中产生相变，使得组成的多组分性（25.0-67.5 ℃：蓝相与微量胆甾共存；67.5-72.2 ℃：蓝相体系；72.2-230. 0 ℃：蓝相与微量各向同性共存）又赋予了该蓝相激光器可重构的性能，实现了激光阈值随温度呈现U型变化、可逆的激光波长及在相变点（约70 ℃）明显的激光增强效应。此外，该工作还对比了单畴蓝相与多畴蓝相激光器的工作温域，原位表征了变温过程中反射信号、荧光信号、量子效率、荧光寿命、POM及Kossel结构的变化，对其宽温域激光发射做出了合理的解释。这项工作不仅为宽温域蓝相激光器的设计提供了新思路，而且在创新性微观结构变化方面为新型多功能有机光学器件提出了重要见解。 相关研究结果以Over 200 ℃ Broad Temperature Lasers Reconstructed from Blue Phase Polymer Scaffold为题发表在Advanced Materials上。 该文章通讯作者为中科院理化所王京霞研究员和金峰副研究员。中科院理化所博士生陈雨洁和郑成林为文章共同第一作者。工作中相关蓝相液晶晶格结构的表征是由上海高能所李秀宏研究员协助完成，中科院理化所江雷院士为本研究提供了专业指导和帮助。 该研究得到了中华人民共和国科学技术部、国家自然科学基金和中国科学院荷兰研究项目的支持。 图1.含30 wt%可聚合液晶单体DD-PSBPLCs的光学表征。（A）所制备单畴样品在宽激光温域范围微结构的变化图示；（A1）相应的单畴样品光学照片。聚合后单畴DD-PSBPLCs (110)晶面的（B）TEM图，（C）Kossel图及（D）Syn-SAXS图。样品在25-230 ℃的（E）反射光谱，（F）荧光光谱，（G）染料的光致发光衰减曲线及（H）染料不同温度下的发射激光。（I）本工作与文献中蓝相液晶激光器工作温域的比较。 图2.DD-PSBPLCs宽的激光温域及在不同温度下的光学表征。（A，B，C，E）单畴样品，25-230 ℃；（D）多畴样品；25-160 ℃。（A）发射光谱，泵浦能量：1.00 μJ/pulse, 插图：POM 照片。（B）荧光光谱。（C）不同温度下，反射光谱与荧光光谱的相对位置关系。（D）发射光谱，泵浦能量：1.20 μJ/pulse, 插图：POM 照片。（E）R-POM图。DD-PSBPLCs 宽的激光温域源于稳定的聚合物支架体系，在宽的温度范围内提供了稳定的反射带隙及荧光信号。 图3.升降温过程中DD-PSBPLCs的激光阈值及相转化。（A，D，E）单畴样品，温域：25 - 230 °C，（B,F）多畴样品，温域：25 - 160 °C，升降温速率：12 °C/min。（A）单畴样品和（B）多畴样品不同温度下的激光阈值。（C）单畴样品的DSC测试，插图：放大图，氮气氛围下，10 °C/min。（D）单畴样品原位升降温过程中带隙（插图：反射强度）与温度的关系。（E，F）原位降温过程中样品的T-POM图，红色圈：放大图。单/多畴样品均在65 ℃析出，表明未聚合物组分的相变是影响DD-PSBPLCs激光性能的主要原因之一。 图4. DD-PSBPLCs温度变化过程中激光行为可能的解释及原位可逆的激光行为。（A）DD-PSBPLCs激光行为的机理图示，（A1）大部分的BPI晶格牢牢的被聚合物网络锁住且规则分布，除少量未被聚合物网络稳定的胆甾相（Ch相）；（A2）在相变前（约70 ℃）体系略微膨胀，且Ch相在达到相变点时消失，转化为BP相；（A3）温度进一步升高，超过相变点（72.5 ℃）时，BPI晶格中的一些LC分子就会跑出来，并以各向同性相(ISO)存在，导致BPI晶格的连续收缩。（B）-（E）单畴DD-PSBPLCs在30-100 ℃过程中原位可逆的激光性能及增强效应。（B）加热过程；（C）冷却过程；（D）激光波长或（E）发射强度与温度的关系，激发功率：1.17 μJ/pulse，升降温速率: 12 °C/min, ΔT=10 °C。（F）x，y，z三个正交方向的发射光谱。（G）单畴样品右/左圆偏振（R/LCP）激射光谱测试。 图5.单畴DD-PSBPLCs加热过程中的原位Kossel表征。（A）原位Kossel图（A1）及其相应的图示（A2），加热速率：12 ℃/min。（B）BPI晶格尺寸及Kossel随温度变化的图示，其中R表示Kossel图中(110)晶面中心圆的半径，红色虚线圆圈表示视野范围。（C）原位升温过程中R及反射中心波长（λ）与温度（T）的关系，实线表示拟合的直线。 　原文链接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206580

近期，西安光机所光子功能材料与器件研究室郭海涛研究员团队在中红外空芯反谐振光纤(HC-ARF)研究方面取得重要进展。科研团队基于自研的硫系玻璃材料研制出一款“七孔接触式”HC-ARF，理论成功预测并通过实验验证光纤在中红外波段存在多个低损耗传输通带，兼具优异的高阶模抑制特性，并且存在进一步降低光纤损耗至0.01 dB/m的空间(比目前实芯阶跃型硫系光纤损耗低1个数量级以上)。相关研究成果发表在Optics Express。论文第一作者为西安光机所博士生张豪，通讯作者为郭海涛研究员。21世纪以后，中红外光纤激光器的功率/脉宽不断突破，但红外光纤材料的本征缺陷也越来越突出，如非线性、色散、光致损伤、材料吸收损耗等，这在传统实芯光纤中很难获得实质性突破，这些特征也就成为了制约中红外光纤技术发展的瓶颈。近年来，基于反谐振效应的HC-ARF因其传输带宽、激光损伤阈值高、传输损耗低和模式纯度高等优异特性而逐渐获得关注。虽然HC-ARF应用领域在不断扩张，但光纤拉制难度也成为了笼罩在研究人员头顶的一朵乌云，实际光纤损耗一直徘徊在几个dB/m水平。诸多国际知名公司或科研机构都在集中力量攻克这一难题，国内也鲜有光纤实际制备的相关报道。该成果团队怀着“解放光纤技术应用中的材料限制”的梦想，开始了对中红外空芯反谐振光纤的探索。他们从实际制备和应用角度出发，基于红外玻璃材料特点，创新性提出“七孔接触式”结构，利用有限元法对光纤的限制损耗、弯曲损耗、材料损耗和高阶模抑制等光纤性能进行理论仿真，基于As40S60硫系玻璃结合堆积拉制法和双路气压控制技术，成功制备出结构复现性良好的HC-ARF。测试数据表明，该光纤具有高阶模式抑制特性和多个低损耗传输通带，在4.79 μm激光波长处损耗仅为1.29 dB/m。此外，研究团队还深入研究了不同工艺参数下光纤结构的演化规律，分析造成额外光纤损耗的关键因素，并对该结构光纤的理论损耗极限进行了预测，为HC-ARF的结构设计和拉制提供理论支撑。图(a)堆积拉制法和双路气压控制技术(b)光纤预制棒 (c)光纤的理论损耗与实测损耗该项研究得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、广东省光纤传感与通信技术重点实验室开放基金的资助。光子功能材料与器件研究室的主要研究方向是西安光机所的优秀传统学科，它围绕高科技领域对光子功能材料和器件的需求，开展光子功能玻璃、特种光纤及器件的制备和应用技术研究，建立了“玻璃-光纤-器件”全链条一体化研究平台，研制了覆盖“可见-近红外-中红外-太赫兹”波段的增益、通信、传能及成像光纤和器件，性能优良，是国内特种玻璃、光纤材料研制的优势单位之一。

近日，中科院合肥研究院安光所张为俊研究员团队在腔增强吸收光谱OH自由基探测技术方面取得新突破，相关研究成果以《基于中红外分布反馈二极管激光器的光学反馈腔增强吸收光谱技术应用于OH自由基探测》为题发表于美国光学学会(OSA)学术期刊Optics Express。 　　OH自由基是大气中最重要的氧化剂，其快速循环反应决定着大气中主要污染物的生成和去除。由于反应活性高，寿命短，在大气中浓度低，准确测量十分困难，是当今大气化学领域非常重要和挑战性的研究内容。 　　团队赵卫雄研究员和杨娜娜博士等人发展了2.8微米中红外光学反馈腔增强技术，为OH自由基探测提供了一种新的直接探测手段。该技术利用谐振腔的共振光反馈回激光器，可以有效压窄激光器线宽，实现光学自锁定，提高激光入射谐振腔的耦合效率，实现高灵敏度探测。 　　团队采用波长调制的方法，以腔模的一次谐波为误差信号反馈给压电陶瓷控制器，精确控制距离，从而达到相位实时锁定，在800 米有效光程下获得1.7×10-9 厘米-1探测灵敏度，对应OH自由基探测极限为~2×108 个/立方厘米。该技术进一步与磁旋转吸收光谱(FRS)和频率调制光谱(FMS)等技术相结合，将为大气OH自由基直接探测提供新的途径。 　　本研究得到国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、第二次青藏高原综合科学考察研究项目、中国科学院青年创新促进会、中国科学院合肥物质科学研究院院长基金资助。

超导技术被誉为21世纪最具有经济战略意义的新兴技术之一，超导体所具备的“零电阻”和“完全抗磁”这两大神奇特性，为人们带来了巨大想象空间。例如利用超导体电阻为零的特性来进行电力输送，可以大大减少线路损耗，实现超远距离的大容量电力输送；利用它完全的磁抗性可以制造磁悬浮列车、电磁弹射装置等。“超导最近在媒体出现的频率比较高。比如时下热门的量子计算，涉及到超导量子比特；被称为‘人造太阳’的全超导托卡马克核聚变实验装置，也应用了超导磁体。”中国高温超导研究奠基人之一、国家最高科学技术奖得主赵忠贤院士介绍道，超导距离实际生活最近的应用，则是医院常见的核磁共振成像中的超导磁体。超导薄膜技术是超导技术发展的重要方向之一。日前，由赵忠贤院士倡导建立并担任顾问的研究团队，面对国外禁运，通过技术集成创新，成功研制出基于国产部件的“三光束脉冲激光共沉积镀膜系统”，并制备出大尺寸双面钇钡铜氧（YBCO）超导单晶薄膜，为我国制备高品质、应用型超导薄膜产品技术带来新突破。关键设备买不来，怎么办？在东莞松山湖科学城松山湖材料实验室“实用超导薄膜研究团队”的一间实验室内，一组银白色装置占据了房间一角，三台激光器宛如手术台上的三支机械臂，将一个带有观测窗的球形操作台围在中间，绿色和紫色的光束不时闪烁。这个装置就是该团队近期研发成功的“三光束脉冲激光共沉积镀膜系统”。该设备基于国产部件实现技术集成创新，包括采用国产小型固态脉冲激光器实现多光束共沉积、激光器与光路系统模块化整体位移、自主研发控制软件实现操作智能化等。利用这台设备，该团队还成功制备出2英寸双面YBCO超导单晶薄膜，将脉冲激光沉积技术制备高品质应用型薄膜产品，推向了一个新的高度。该团队负责人金魁研究员表示，大尺寸双面钇钡铜氧（YBCO）单晶薄膜，是设计高温超导薄膜器件的良好载体，而高温超导薄膜器件则是开发未来通信技术和超高性能雷达探测器的重要部件，具有十分重要的应用前景。然而，能够制备该类薄膜的先进设备，此前被德日美等少数国家掌握，一直以来对我国封锁核心技术，并且大尺寸薄膜制备设备近期也已对我国禁运，导致我国高品质应用型“薄膜”和“镀膜设备”核心技术受制于人。金魁坦言，按照最初构想，是希望直接从国外购买一套先进的大尺寸镀膜设备，之后按团队的需求改造，然而却未能如愿。“买小尺寸薄膜制备设备回来，做出的样品主要是用于基础研究，找规律、写论文，国外公司同意卖给我们；但要买能投入实用的大尺寸薄膜制备设备，他们就拒绝了。”金魁表示，另一方面，国外的设备只能实现单面薄膜的制备，无法满足团队需求。关键设备买不来，怎么办？在赵忠贤院士的鼓励和指导下，团队最终下定决心走上了自研之路。令他们感到高兴的是，团队产出成果的进度超过了预期。在国外禁运的情况下，团队仅用一年多时间就取得了成功。“积小胜为大胜”“我们用激光去打真空腔里面的靶材，由于瞬时高温，靶材表面的成分会变成等离子体向外喷射，之后接触高温衬底，外延沉积完成镀膜，过程就像是烙饼一样。”该设备主要的设计和搭建者冯中沛博士是团队里的一名年轻人，设备成功运转，让他格外兴奋。过去一年多，冯中沛和同事们几乎每天都围着这台设备转。在工作室紧邻该装置的墙边有一面白板，上面写满了与装置搭建相关的事项。一年时间里，大到整个装置的设计装配，小到一根螺丝钉的定制，整个团队“挂图作战”，环环推进，最终才获得了成功。“这台设备的功能可以扩展，也可以为超导以外的材料进行镀膜。就像买了一口锅，一开始只用来炒菜，后面还可以用来蒸煮。”冯中沛介绍道。令整个团队感慨的是，直到他们研制出成本更低、性能更优的设备时，从日本采购的小尺寸镀膜设备甚至因为疫情，还没有厂家工程师前来拆箱。“这件事虽然谈不上伟大，但是它给了我们很大信心。遇到‘卡脖子’难题，逼着自己进行自主研制和创新，最终把一条新的技术路线走通了。”赵忠贤表示，假如全国几十万、上百万的科研团队，能有十分之一像这样专注去做一件事，我们跟国外的科技竞争就能握有更大的主动权。“积小胜为大胜，变成大胜就有了长板，有了竞争优势，国外还怎么卡我们脖子？”他说道。除了团队自身的努力和经验积累，赵忠贤还特别提到，松山湖科学城给予的宽松科研环境与合理的评价体系，为这一成果取得提供了重要土壤。在他看来，松山湖材料实验室一方面注重研究实效，不以论文论英雄，让科研人员集中精力搞攻关；另一方面，充分信任科学家，原本购置设备的钱可以灵活用于自主研发，“允许用打酱油的钱去买醋”，赋予科学家自主权。推动超导技术成果转化能否制备出大尺寸、高质量的超导薄膜，关系诸多关键产业的发展前景。以超导薄膜为基础的数字电路，相比半导体材料做的数字电路速度更快、损耗更小、容量更大；用超导薄膜制成的超导量子干涉器，可以探测比人脑磁场弱几千倍的磁场，用收集来的磁信号进行分析，能够确定矿源、预报地震等。而超导薄膜制成的天线、谐振器、滤波器等微波通讯器件，具有常规材料（如金、银等）无法比拟的高灵敏度。此外超导薄膜在大型粒子加速器中也有着广泛的应用。粗略估计，国内外计划建设的各类加速器项目，对超导薄膜谐振腔的需求量将超过10000个。面对这一趋势，与超导基础研究打了大半辈子交道的学界泰斗，开始将工作重心放在推动超导技术成果转化与实际应用上来。2017年底，广东启动首批四家省实验室建设，赵忠贤接受邀请，出任松山湖材料实验室学术委员会主任一职，从北京来到了东莞松山湖。在他倡议和亲自指导推动下，“实用超导薄膜研究团队”在松山湖材料实验室迅速建立起来。除赵忠贤院士作为团队顾问之外，担任团队负责人的金魁研究员，也是一位高水平超导研究专家，他在高温超导体机理研究、超导薄膜制备、新超导体探索等方面都有诸多重要成果，先后在《自然》杂志等主流刊物发表重要论文80余篇。此外，多位具备国家重点实验室工作背景的超导薄膜和低温技术专家也先后加入，组成了国内一流的班底阵容。“我们选定的题目是‘实用超导薄膜及相关技术研究’，这个不像‘量子’或者‘智能’之类的名字时髦，但并不意味着研究的内容不重要。”赵忠贤说，希望以应用为目标来做一个中长期项目，解决超导应用过程中一系列关键核心技术难题，推动实现跨越性的进步，带来应用上的质变。谈及今后的打算，年届八旬的赵忠贤心心念念的，仍然是超导。“一是找到超导应用存在的短板，想办法推动一些项目、组织一批队伍来把超导领域的这些问题全部扫光；二是在超导应用的某些方面，希望看到我们比别人强，有自己的‘绝活’。”

据悉，镭测科技公司经过7年的研发，在国内首次研究成功可伐-玻璃组装式的氦氖激光器，并实现批量生产。这一成果终结了我国50年靠玻璃吹制氦氖激光器的历史，有力推动我国高端激光仪器的发展。　　清华大学教授、镭测科技公司顾问张书练表示，氦氖激光器是气体激光器的一种，是气体激光器中最先研发问世的产品类型。氦氖激光器是以中性原子气体氦和氖为工作物质、由放电管和光学谐振腔构成的激光器，可输出连续激光。氦氖激光器工作在可见光与红外光频段，可输出绿光543.5nm、红光632.8nm、红外光1.15μm和3.39μm等多种波长。其中，红色波长632.8nm在氦氖激光器家族中有独一无二的品质，应用最广泛。波长632.8nm氦氖激光束质量高、光束横截面上光强度非常接近完美的高斯分布，非常小的发散角，传播百米后光斑直径还保有几毫米大小；输出功率稳定，噪声非常低；有天然的频率（波长）稳定点，波长稳定性可以非常高，可以做到1小时时间内632.8nm仅漂移百万甚至亿分之一；造价低，可靠性高，一致性好互换性强等。　　张书练指出，氦氖激光器在仪器仪表、精密测量方面应用广泛，无可替代。国内外的单频干涉仪，双频干涉仪，面型干涉仪，测振仪，椭偏仪，激光陀螺仪等都采用氦氖激光器做光源，这些仪器是精密机床、光刻机、航空、航天、机械和光学加工，薄膜技术等领域精度的保证。我国这些产业向高端发展的速度加快，市场对相关仪器的需求将持续增长，将会拉动我国对可伐-玻璃组装式的氦氖激光器需求规模不断扩大。　　根据某研究中心发布的《2022-2026年氦氖激光器行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，2021年，全球氦氖激光器市场规模约为0.74亿元；预计2021-2026年，全球氦氖激光器市场将以4.2%左右的年均复合增速增长，到2026年市场规模将达到0.91亿元左右。在全球市场中，氦氖激光器生产商主要有美国Lumentum Operations、美国Melles Griot（被Pacific Lasertec收购）、美国Thorlabs、美国Excelitas Technologies、德国Lasos、德国Phywe、日本Neoark。　　张书练表示，多年来，我国依赖玻璃吹制技术生产氦氖激光器（管），激光器之间一致性较差，稳定性不佳，不能达到各类激光仪器的应用要求。过去几十年，虽然国内也有对可伐-玻璃组装式（无吹制）氦氖激光器进行了研究，但没有坚持下来，也曾引进了一条国外（装配）生产线，运行几年，终因没有自己元器件供应链，没有自己的工艺被迫停产。激光仪器仪表仪器装配的氦氖激光器都从国外购买，因为容易频率突跳或不出双频振荡，淘汰率很高。　　镭测科技自主研发的可伐-玻璃组装式的氦氖激光器用已成批用于双频激光干涉仪上和光刻机的失效激光器替换。用作双频激光器时，激光功率可以达到1.3mW以上，激光频率差可选定3MHz、7MHz、10 MHz、20 MHz，或更大，这是国内外以前没有实现的。此外，之前，不论是单频还是双频激光干涉仪，国产还是国外购买，各型号都有几纳米甚至十几纳米的非线性误差，可伐-玻璃组装式的氦氖激光器作光源的双频激光干涉仪非线性误差不大于1纳米。

近日，中科院上海微系统与信息技术研究所李昕欣研究员团队报道了一种基于谐振式微悬臂梁的热重分析技术（简称MEMS TGA）。与国际主流的TGA分析仪器相比，该MEMS TGA技术将毫克级的样品消耗量降至10纳克量级，质量变化分辨率从0.1ug提升至1pg，最高升降温速率从50 °C/min提升至数百°C/s，并进一步突破了现有TGA仪器难以测量强氧化剂/爆炸物的使用限制。该MEMS TGA技术还成功与拉曼光谱等表征技术实现了联用，成功实现了TGA-Raman原位实时同步表征，显著提升扩展了TGA的分析能力。相关研究成果以Thermogravimetric Analysis on a Resonant Microcantilever为题，发表在Analytical Chemistry期刊上，并被选为当期的Supplementary Cover论文（图1）。李昕欣团队的博士生姚方兰和许鹏程副研究员为论文的共同第一作者。图1 该工作被选为Analytical Chemistry当期的Supplementary Cover论文英文原题：Thermogravimetric Analysis on a Resonant Microcantilever通讯作者：李昕欣，中国科学院上海微系统与信息技术研究所作者：Fanglan Yao (姚方兰)#, Pengcheng Xu (许鹏程)#, Hao Jia (贾浩), Xinyu Li (李昕昱), Haitao Yu (于海涛), and Xinxin Li (李昕欣)* 背景介绍热重分析技术主要用来测量物质质量随温度变化的关系，被广泛应用于各种功能材料的研发、优化与质量监控。目前商用的热重分析仪器普遍使用高精度热天平进行称重，并利用高温炉来对样品实现加热；每次测试需要消耗毫克（10-3 g）量级的样品，且无法快速升温，测试效率不高。此外，这类仪器无法测试具有腐蚀性或易爆炸性的样品。在联用方面，商用的热重分析仪器通常需要将待测样品密封在TGA测试腔体中，难以与光谱联用，因而无法在加热过程对样品的结构演变进行实时测量。李昕欣团队的论文报道了一种集成片上加热和测温元件的MEMS谐振微悬臂梁，利用该集成谐振微悬臂梁具有的超灵敏质量测量功能（亚皮克量级），实现了微芯片上的热重分析技术（MEMS TGA，其工作原理如图2所示）。该技术只需要纳克（10-9 g）量级的样品即可进行TGA测试，而且可以在1秒钟内将样品加热至1000℃。图文解读图2 MEMS TGA技术的工作原理示意图该论文选取了两种常用的标准样品Cu2(OH)2CO3（碱式碳酸铜）和Ca2C2O4∙H2O（一水合草酸钙），验证了MEMS TGA技术的优势。如图3所示，当升温速率加快时，传统TGA的热重曲线表现出明显的热滞后效应。而MEMS TGA未表现出明显的热滞后现象，因此可在保证测量精度的情况下更高效地测量样品的热重曲线。图3 标准样品的热重分析结果对比：(a) Cu2(OH)2CO3；(b) Ca2C2O4∙H2O由于MEMS TGA具有皮克（10-12 g）量级的超高质量灵敏度，使得对单颗粒样品的TGA测试成为了可能。本论文利用MEMS TGA技术，首次对直径仅为4微米的单颗粒PS（聚苯乙烯）微球实现了TGA测试。而且在进行TGA测试过程中，同时利用光学显微镜实时观测并记录了PS微球在温度升高过程中的形貌演变（图4）。该技术不仅首次实现了单颗粒的TGA测试，还对TGA的测试过程实现了全程可视化。图4 在显微镜下利用MEMS TGA技术对单颗粒PS微球实现了可视化的热重分析MEMS TGA技术具有更广泛的应用范围，甚至可以测试爆炸物。若使用传统的TGA仪器测试具有爆炸性、腐蚀性或强氧化特性的样品，不仅会损毁TGA仪器，而且具有安全隐患。而MEMS TGA技术每次分析仅需要纳克（10-9 g）量级的痕量样品，消除了该方面的安全隐患，可以对此类危险系数高的样品进行测试。如图5所示，本论文成功利用MEMS TGA技术对强氧化物（高锰酸钾）和爆炸物（TNT炸药）进行了热重分析。图5 MEMS TGA在空气中测得的两种危险化学品的TGA曲线：(a) KMnO4；(b) TNTMEMS TGA与光谱具有很强的联用能力。本论文示意了TGA-Raman同步表征技术：在进行TGA测量的同时，可以将MEMS TGA芯片直接置于Raman光谱的光学镜头下，并将Raman激光束聚焦在样品上。在TGA测量过程中，原位实时采集了材料的拉曼信号，从而实现了TGA-Raman同步表征，其工作原理和部分测试结果如图6所示。图6 TGA-Raman同步表征技术总结/展望综上所述，李昕欣团队提出并开发了一种基于谐振悬臂梁微芯片的材料表征技术——MEMS TGA技术。该技术具有显著的优势：纳克样品量要求、皮克超高质量分辨率、数百°C/s的超快升降温速率、极低的功耗和广泛的应用范围。使用该技术甚至已经可以对单颗粒样品实现TGA测试。该MEMS TGA技术还可以与拉曼光谱仪联用，对样品进行TGA-Raman同步表征。在上述研究基础上，李昕欣团队近期还进一步将该MEMS TGA技术与原位TEM技术进行了联用，在进行气体池 in situ TEM表征的同时，实时原位测试了Ni(OH)2等纳米材料的TGA曲线，首次实现了TGA-TEM的同步表征，该部分工作也于近期发表于Analytical Chemistry (DOI: 10.1021/acs.analchem.2c01051)。作者简介：李昕欣，研究员，国家杰出青年科学基金获得者。长期研究微纳电子机械系统（MEMS/NEMS）和微纳传感器技术，是该领域国际知名的学者和国内的学术带头人之一。有约300篇SCI论文发表在国际重要SCI期刊如Nano Letters, Nat. Comm., Anal. Chem., Nano Today, JMCA, PRL, Small, IEEE EDL, IEEE J-MEMS等。

p　　在各种超高灵敏度的光谱探测技术中，基于无源谐振腔增强的技术是重要的一类，而谐振腔增强的光谱探测技术又可以分为传统腔衰荡光谱、积分腔输出光谱、腔增强吸收光谱、频率调制光源腔衰荡光谱、光频梳腔衰荡光谱等五类。这些传统技术存在着光电探测难度高、装置价格昂贵、响应速度慢、灵敏度低等缺点。/pp　　中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态室王允韬、阮驰等科研人员发明了一种频域腔衰荡光谱探测装置，可以应用于实验室的光谱测定和标准具的精细常数测定，以及现场应用的物质浓度传感、应变及应力传感、温度传感等。/pp　　与传统方法相比，此项发明的优点是：1、利用低速波长调制实现了具有信噪比优势的高频谐波探测。2、在实现谐振腔增强光谱与波长调制光谱完美结合的同时降低了经济成本。3、结合波长调制光谱，消除了光路耦合效率下降、光源平均功率波动、探测电路转换效率下降等背景干扰的影响。4、由于谐振腔精细度下降产生的干扰与光谱吸收产生的信号之间是一个相乘的关系，通过取对数或者计算各次谐波之间的比值，消除了谐振腔精细度下降造成的干扰。/pp　　该装置已获国家发明专利授权，并获2016年度中国公路学会科学技术奖二等奖。/pp/p

近期，中国科学院上海光机所空间激光信息传输与探测技术重点实验室研究团队联合张江实验室提出光反馈强度可调的自注入锁定窄线宽可调谐片上激光器，理论及实验研究了不同光反馈强度下激光器动态演变过程，表明优化光反馈强度可以有效提升自注入锁定的稳定性、优化噪声抑制效果、扩展锁定调谐范围。相关研究成果以“A Self-Injection Locked Laser Based on High-Q Micro-Ring Resonator with Adjustable Feedback”为题发表于Journal of Lightwave Technology。目前，硅基光电子芯片系统级集成迅速发展，在相干激光通信、相干探测激光雷达、精密计量传感、光计算等应用场景中扮演着重要角色，芯片系统级集成对前端低噪声激光光源的体积、重量、功耗同样提出了严格要求。高品质因子氮化硅微环谐振腔可提供积累的背向瑞利散射光反馈，将其与分布式反馈半导体激光器进行混合集成可获得高集成度的自注入锁定片上窄线宽光源。但由于反馈回激光器的背向瑞利散射强度与微环谐振腔波导加工工艺以及芯片间耦合封装损耗相关，通常强度较低且难以精确调控，自注入锁定片上激光器存在稳定性不高、调谐范围受限的问题。 　　研究团队提出一种基于高Q值微环谐振腔的光反馈强度可调片上自注入锁定窄线宽激光器(如图1所示)，通过引入由马赫曾德尔干涉仪和萨格纳克环形镜构成的反射率可调后腔镜，通过调节MZI两臂相位差调整反馈光强，在保证输出激光频率处于微环谐振腔谐振中心的同时，解决了微环谐振腔光反馈强度不可控的难题。反馈光强度经过优化的自注入锁定激光器具有更低的频率噪声和更大的锁定带宽，本征线宽压低至60 Hz,锁定调谐范围拓展到6.3 GHz(如图2、图3所示)。相关工作在FMCW激光雷达、高精度光纤传感等相干探测和精密计量领域具有重要的应用价值。图 1. 混合集成自注入锁定窄线宽激光器结构示意图、封装成品图 2. 不同光反馈强度下激光器频率噪声、线宽测试结果。(a)激光器频率噪声功率谱密度；(b) 激光器本征线宽、1ms 积分线宽图 3. 优化光反馈强度前后激光器调谐范围对比。(a) 后反射腔镜反射率为 0% 时调频结果；(c) 后反射腔镜反射率为 32% 时调频结果

p　　记者从中国科技大学获悉，该校郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在纳米机电系统(NEMS)方面取得最新进展。该实验室与美国加州大学团队合作，在研究两个石墨烯纳米谐振器的模式耦合过程中，创新性地引入第三个谐振器作为声子腔模，成功地实现了非近邻的模式耦合。相关研究成果发表在近日出版的《自然通讯》上。/pp　　纳米谐振器具有尺寸小、稳定性好、品质因子高等优点，是信息存储和操控的优良载体。为了实现不同谐振模式之间的信息传递，需要先实现模式间的可控耦合。近年来，国际上不同研究组针对同一谐振器中的不同谐振模式以及近邻谐振器之间的模式耦合机制进行了深入研究。然而，对于如何实现非近邻的、可调的谐振模式耦合，国际上一直未见相关报道。/pp　　针对这一难题，研究组设计和制备了三个串联的石墨烯纳米谐振器，每个谐振器的谐振频率可以通过各自底部的金属电极进行大范围的调节，因此只要设定合适的电极电压就可以实现三个谐振器的共振耦合。研究组首先测量到了两个近邻谐振器之间的模式劈裂，证明了在该串联结构中近邻谐振器可以达到强耦合区间，这为进一步探索第一个和第三个谐振器之间的耦合创造了条件。经过实验探索，研究组发现当把中间谐振器的共振频率调到远高于(或远低于)两端谐振器的共振频率时，两端谐振器之间不能发生模式劈裂，即二者耦合强度非常小 但是当中间谐振器的共振频率逐渐靠近两端谐振器的共振频率时，两端谐振器逐渐产生模式劈裂，且劈裂值逐渐增大。/pp　　该实验是首次在纳米谐振器体系中实现谐振模式的非近邻耦合，对于纳米机电谐振器领域的发展具有重要的推动意义，并且为将来在量子区间利用声子模式进行信息的长程传递创造了条件。/ppbr//p

近日，日本防灾科学技术研究所(NIED)、东京大学地震研究所(ERI)和横河电机株式会社(横河电机)对用于探测早期海啸的新研发的水压计进行了评估。 　　本次评估中使用的水压计配备了一种新型硅谐振压力传感器，安装在房总半岛附近水深3436m的海底。在本次评估过程中，该压力计成功识别了70MPa压力波动，相当于海平面7厘米的变化。 水压计，配有采用MEMS技术的硅谐振压力传感器。长度261.5毫米(来源：横河电机) 　　虽然因海啸是罕见的事件很难获得海啸的数据，但评估检测到类似海啸的海平面变化，水压计预计将被用于实际海啸的检测。南海海底地震海啸观测网(N-net)将采用此水压计，观测地震引发海啸所引起的海底水压波动，从而实现较准确的海啸探测，以减轻灾害带来的损失。 　　NIED、ERI和横河电机已经评估了一种配备MEMS硅谐振压力传感器的水压计的有效性，该传感器用作海底压力观测，能够在发生地震的重大震动期间获取准确数据。鉴于地震期间发生的重大地面运动，本次测试旨在确定测量数据的采集是否会受到水压计振动或其姿态变化的影响。 　　经证实，姿态变化对水压计的影响小于传统水压计。此外，在重复应用于70 MPa (相当于7,000m水深)的精密测试中，不高于70MPa的0.005%的重复性被证实性能出色。该水压计采用MEMS技术，因此具有每种产品拥有相同质量的优势。 　　为了评估水压计在实际海底环境中的性能，在日本千叶县房总半岛附近3,436米的深度进行了总计203天的海底观测。由于海啸是一种罕见的现象，获取海啸观测数据通常很困难。然而，在评估工作中观察到， 伴随2022年1月15日汤加火山的爆发，海平面出现了7厘米的波动。进一步的数据分析还证实，水压计能够观察到相当于海平面变化小于1厘米的压力变化。确认的灵敏度表明水压计具有足够的性能来观测实际的海啸。水压计是日本制造的产品，适用于深海作业，具有与世界上任何地方制造的尖端仪器相同的灵敏度。 　　地震海啸观测网络是减少灾害风险的基础设施的一部分，有助于发展关于灾害风险信息和地震海啸灾害风险研究。NIED负责陆地和海底地震海啸监测(MOWLAS)，覆盖日本所有陆地和海域。从2019年开始，NIED一直在开发N-net，一种电缆型海底地震海啸观测系统。N-net将安装在南海海槽的震源区内，该震源区预计会发生地震，但尚未建立观测网络(从高知县近海到日向滩)。 　　N-net是一个网络系统，可以直接探测地震和海啸，并将信息可靠地传输到陆地，从而实现实时观测。这种新型硅共振水压计在该系统中发挥了重要作用。NIED、ERI和横河电机已经进行了多次测试，以确保这种水压计的可靠性，目的是在南海海槽发生大地震时，尽可能地减轻损失。据悉，横河电机的硅谐振压力传感器采用基于单晶硅谐振器谐振频率随压力变化的传感方法，具有低功耗、紧凑型、高灵敏度、高稳定性和高耐压性的特点。谐振器使用硅半导体制造技术密封在清洁的真空腔中，防止外来颗粒粘附在谐振器上降低其性能。此外，使用石英晶体谐振器的传感器不会因气体解吸而导致性能变化，并且可以实现稳定的测量。自1991年以来，横河电机一直在其工业差压和压力变送器中使用这种传感方法安装压力传感器。

滨松波长可调谐量子级联激光器（QCL）模块L14890-09是一种利用外腔结构实现宽波长扫描的脉冲量子级联激光器。相比较于传统的FT-IR方法，该产品充分利用激光的特性，可实现中红外光谱的远程、非接触式、高通量测量。本产品不可以销往美国。如果该产品在美国地区，跟客户的设备出现任何不适配的问题，滨松不承担任何责任。详细参数产品型号L14890-09脉冲输出功率（最大值）900 mW光脉冲重复频率（典型值）180 kHz准直透镜Included尺寸(W × H × D)82 mm × 88 mm × 112 mm重量1.2 kg中心波数（典型值）1075 cm-1波数扫描宽度（典型值）200 cm-1产品特点● 内置MEMS光栅● 实现宽波长范围高速扫描● 内置准直透镜● DAU结构基础上的宽带QCL外形尺寸（单位：mm）创新点：滨松波长可调谐量子级联激光器（QCL）模块L14890-09是一种利用外腔结构实现宽波长扫描的脉冲量子级联激光器。相比较于传统的FT-IR方法，该产品充分利用激光的特性，可实现中红外光谱的远程、非接触式、高通量测量。波长调谐范围在7.84um~11.14um，峰值功率为600mW（typ.），往返频扫（全范围调谐）频率达1.8KHz。QCL模块L14890-09也获得了2018日本文部科学省纳米技术平台事业部授予的“最佳成果奖”。利用了滨松独特的量子结构设计技术，这个QCL小模块内的QCL芯片采用了一种反交叉双重高能态结构（AnticrossDAUTM）。而在QCL芯片的发射截面上，则制成了多层增透膜，它可以保证从截面发出的激光，在到达光栅前零损耗。芯片产生的宽带光再通过MEMS衍射光栅的倾斜来选频，实现了特定波长的完全反射和谐振。模块在工作的时候，电控MEMS衍射光栅可高速摆动以改变其倾角，进而周期性地改变衍射角度、即改变谐振光的波长，最终使模块实现中红外激光的波长扫描。相对于已有的利用电机使镜面机械式运动来改变波长的QCL模块，电控MEMS衍射光栅可以达到更快的波长调谐，且衍射器件的微型化也使得模块更加的紧凑（8.2× 8.8× 11.2 cm），易于装配。滨松波长可调谐量子级联激光器（QCL）模块L14890-09

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。

“据我了解，中国‘嫦娥五号’月球探测器上也配有小型光谱分析仪，除能分析月球常见的矿物组成，还具有研究矿物风化层水合作用的能力。其探测范围覆盖可见光到中红外光，并分别使用 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）光谱成像、铟镓砷探测器、碲镉汞探测器。而如果利用我们的纳米梁光谱仪，借助其扩展性和移植性，则有望大幅减少探测器种类和数目。除此之外，随着应用目标需求的变更，比如新的工作波段、更大波长范围等，都可通过类似的设计流程，对器件进行快速迭代，充分发挥纳米梁光谱仪的通用化、可定制、灵活性的优势。比如，对于老百姓来说，将来某天去水果摊只需手机扫一下，便可知道瓜是不是保熟。”对于课题组研发的纳米梁光谱仪，华中科技大学武汉光电国家研究中心教授董建绩表示。图 | 董建绩（来源：董建绩）该纳米梁器件具有小尺寸、小模式体积、高 Q 值（衡量电感器件的主要参数）的突出优势，以及结构多样的可调性、对各种集成材料平台的兼容性等性能。除了用作光谱仪以外，它在作为满足集成光子技术发展需求的新型基本单元结构上，同样有较大的应用潜力。此前已经有人使用增益材料结合纳米梁谐振腔实现了室温下的连续激光器，还有人结合石墨烯等二维材料制作出高效的热光调制器。未来有望将这一器件应用到更多的场景，例如发光器件、电光调制器件、力学传感、气相探测等领域。从彩虹到纳米梁器件看似是一个硬件，其背后原理却要从美丽的彩虹说起。“虹”是一种常见的自然现象。通常雨后转晴时，阳光射到空中接近球型的小水滴，产生各种颜色的图谱即自然界的“光谱”。光谱最早是指自然界中的分光图案，后来拓展到整个电磁波段的辐射能量随波长或频率的分布。光谱仪是研究光辐射强度特性随频率变化的光学仪器，它将不同频率的光辐射按照一定规律分开，配合一系列机械、电子、计算机等系统，实现对光辐射的精密测定和研究。光谱分析在现代光学应用中有重要的作用，被广泛应用于工业生产、化学成分分析、环境监测、航天遥感等领域。传统的光谱仪存在结构组成复杂、占用体积大、价格昂贵等劣势，在很多要求便携式设备的应用场合存在限制。而光谱仪的小型化和集成化，可满足各种新兴光谱分析应用的低成本、小尺寸的需求，比如片上实验系统、细胞组织检测分析、乃至移动设备搭载光谱仪等，都是近年来的重要研究方向。一般的微型化光谱仪，都是通过将传统的大型台式光谱仪中的色散元件、或者滤波元件使用集成光子技术小型化后得到的。然而，常见的色散分光型和傅里叶变换型光谱仪，通常需要较长的衍射路径，才能积累足够的光程或光程差，从而分辨不同的光谱分量，故而难以兼得小尺寸和高精度。图 | 级联纳米梁光谱仪工作原理（来源：Optica）光谱计算重建（Computational reconstruction）方法，是近年来新兴的一种光谱仪实现方法。该方法通过计算机辅助计算重建算法，降低了对光谱分光或滤波的严格要求，促使了基于随机结构、量子点、单纳米线等新型光谱仪的涌现。计算重建方法，通过对入射光场和输出通道间的映射进行预先标定，再借助重建算法并使用计算机进行迭代求解线性方程组，从而求出输入光谱。这些基于计算重建方法的光谱仪方案，既具有简单的结构和紧凑的尺寸，同时又表现出更优异的特性。然而，现有方案存在无法根据需求扩展、不够灵活的缺点。例如，在材料加工和集成上，基于精细的材料工程、所获得的材料光谱响应渐变的方案，有着很高的复杂度，由此带来了高成本和低产率，这也导致其较难迁移到其他波段。此外，预校准传输响应也会影响光谱仪的准确率。也就是说，构造一系列具有高度正交性的传输谱，是提高重建光谱性能的关键。在此之前，该团队已经对光子晶体纳米梁谐振腔器件，建立了良好的研究基础和积累，比如应用到光开关[1]、高消光比滤波器[2]、通用模块化光谱仪[3]等。他们发现，纳米梁的传输谱经过热调谐后，可以构成一系列正交的基函数，并且纳米梁单元还具有易于级联扩展的特点，有望解决重建型光谱仪的性能限制问题。图 | 纳米梁单元的热调谐传输谱（来源：Optica）同时，有别于通过材料成分渐变结构获得的光谱仪，该方案是基于结构参数渐变，不仅对不同工作波段具有扩展性和移植性，而且制作工艺与标准 CMOS 工艺兼容，无需精细调节材料组份。因此，课题组将纳米梁谐振腔与计算重建算法相结合，得到了兼顾小尺寸、可扩展、高分辨率的级联纳米梁光谱仪。相比传统的窄带滤波型光谱仪，重建算法使得分辨率突破了谐振峰半高全宽的限制。而相对于其他重建型光谱仪，窄带响应提供了高正交性的预校准基函数，这进一步提高了性能。近日，相关论文以《具有高分辨率和可扩展性的级联纳米梁光谱仪》（Cascaded nanobeam spectrometer with high resolution and scalability ）为题，发表在 Optica（IF 11.1）上[4]，张佳晖担任第一作者，董建绩担任通讯作者。审稿人给予高度评价：“该工作提出的级联纳米梁光谱仪设计方案是非常新颖的，特别是提高了重建型光谱仪的测量分辨率。”并称赞纳米梁结构具有工作波段可扩展性，非常适合发表在 Optica 上。借“光”前行，成就新型光仪器事实上，该团队很早就注意到微型光谱仪这一领域的发展动态。2013 年，耶鲁大学团队就曾经提出一种基于随机结构的光谱仪[5]，成功实现了 0.5nm 窄峰和 0.75nm 间距双峰的重建。2015 年，清华大学、麻省理工学院、加州理工大学的研究人员发表了关于量子点光谱仪的论文[6]。2019 年，英国剑桥大学的学者在 Science 上发表了纳米线光谱仪的工作[7]。这些工作分别提出了不同种类的重建型光谱仪，也为此次研究开拓了思路。2021 年，加州大学圣地亚哥分校的团队提出一种基于分层波导的片上光谱仪，并证明滤波器的传输谱正交性对于提高分辨率是至关重要的[8]。这让董建绩更加深入地思考进一步突破微型化重建光谱仪性能限制的可能性。同时，该团队也注意到，现有的这些重建光谱仪方案使用的宽谱响应基函数存在难以根据实际需求扩展的问题。这一问题也启发了他们对纳米梁光谱仪的研究。本质来看，光子晶体纳米梁是一种一维光子晶体谐振腔，它呈现出和波导尺寸类似的狭窄条状梁。当沿着梁的方向刻蚀周期性的孔，孔中部会有破坏晶体周期性的缺陷。形成的缺陷模式光，会被周围的光子晶体结构约束，仅在缺陷附近形成小模式体积的光场，这就形成了光子晶体谐振腔。由于具有超小的模式体积，纳米梁被视为一种超小型的片上谐振器件，在集成化、微型化应用方面有重要价值，因此也非常适合用作小型化光谱仪的基本单元。图 | 纳米梁单元结构（来源：Optica）于此，该团队希望找到能有效提高分辨率的正交频谱响应，而纳米梁的传输谱完美地具备这个特性。同时，基于设计周期结构尺寸而获得的光子禁带的纳米梁谐振腔不仅易于级联，还可通过改变结构扩展波段，符合他们对可扩展性能的需要。因此，纳米梁是一个符合微型化光谱仪需求的合适器件。为了实现纳米梁光谱仪的设想，该团队制定了“三步走”的研究计划。第一步是空间光谱仪方案。他们将大量纳米梁阵列按照空间排布，通过对空间光进行采集获得不同的频谱响应，结合重建算法设计了空间光谱仪[3]。在这个阶段，课题组对纳米梁的加工工艺进行了探索，包括孔径、波导宽度的工艺误差对谐振性能的影响，为后续工作打好基础。第二步是片上集成化光谱仪方案。引入热调谐以实现超小尺寸，将纳米梁阵列转化为少量级联的单元，通过频率扫描的方式获得高精度测量[4]。研究中，该团队进行了一系列优化设计，还在纳米梁单元引入部分透过结构以实现 Fano 谐振增强，从而进一步提升性能。作为分辨率的表征，他们演示了 0.16nm 线宽的窄带信号以及 0.32nm 间距的双峰信号的重建，还展示了不对称双峰、多峰以及基于3通道级联单元工作的 16nm 宽带信号的重建。图 | 信号重建结果（来源：Optica）第三步是高度集成化光谱仪。“这是未来的目标，就是希望把光谱仪和光电探测器、电路高度集成，实现商用化的光谱分析模块。”董建绩表示。有望用于无人机勘察和宝石鉴定由于具有小尺寸和高性能的特点，级联纳米梁光谱仪有望在各类微型化、便携式需求的光谱分析中得到应用。比如，植被覆盖率是生态环境的重要指标之一。通过将便携式光谱仪集成到无人机上，即可采集目标区域的可见光遥感影像，并通过光谱分析地理类型，获得植被分布情况。不仅可应用于检测植物的物候状态，还可用于估算粮食产量、提供环境政策参考。另外，在宝石考古研究中，由于不同的成因，古代的玛瑙石具有不同的矿物组成、颜色机理、结构特点。而有些宝石出于文物保护价值，无法移动到实验室进行组分分析。便携式的光谱仪就可以很好地解决这个问题。通过对宝石内纤维结构、元素成分的光谱分析，还原出新的历史信息。再比如，蔬菜、水果等农产品的成熟度，对农业采摘、市场交易、长途运输等具有重要的意义，而成熟度较好的水果会在某些波段（通常是红外）具有特定的光谱特性。对于微型化光谱仪来说，它可利用这一特点检测水果是否成熟，甚至帮助量化采摘、销售、保存的最佳时间。某些水果的水分、糖含量、坚实度也可以反映在光谱特性中，这都可以通过便携式光谱仪设备进行检测，具有成本低、快速、方便的特点。此外，得益于纳米梁是一种能带工程器件，可充分发挥其可扩展、可移植的灵活性优势，组装成适用性更广泛的其他商业产品，有望应用在更多集成化、便携式的使用场景中。与人交谈一次，胜过闭门劳作未来，该团队主要有两方面打算。一方面希望实现集成片上功率探测的完整芯片化光谱分析系统，借此达成工程化应用，进一步开发出相关产品，实现一定的演示功能，并希望和有兴趣的公司开展合作。另一方面，在基础研究上，从不同的能带结构设计出发，开发出不同波段需求的光谱仪。董建绩表示，每当遇到实际问题或工作难点，大家总能集思广益、寻找办法。他说：“我常跟大家讲，与人沟通是提高自己的一种有效方式，是一个团队行稳致远的重要基石。沟通不仅体现在老师对学生的引导，还有学长与学弟的传承，更有成员与成员间的探讨。这个项目攻关历时 9 年，期间培养了 3 个博士生，而且攻关仍在继续。列夫托尔斯泰曾说过，‘与人交谈一次，往往比多年闭门劳作更能启发心智。’我想在今后的科研道路上，我们应当继续保持这种良好的习惯。”-End-参考文献：1、Opt. Lett. 45, 2363-2366 (2020)2、Opt. Lett. 46, 3873-3876 (2021)3、ACS Photonics 9, 74-81 (2022)4、Optica, 9(5), 517-521.(2022)5、Nature Photon 7, 746-751 (2013)6、Nature 523, 67-70 (2015)7、Science, 365, 1017-1020 (2019)8、Nat. Commun. 12, 2704 (2021)

table width="633" cellspacing="0" cellpadding="0" border="1" align="center"tbodytr style=" height:25px" class="firstRow"td style="border: 1px solid windowtext padding: 0px 7px " width="132" height="25"p style="line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"成果名称/span/p/tdtd colspan="3" style="border-color: windowtext windowtext windowtext currentcolor border-style: solid solid solid none border-width: 1px 1px 1px medium border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " valign="bottom" width="501" height="25"p style="text-align:center line-height:150%"strongspan style=" line-height:150% font-family:宋体"高性能集成化射频MEMS谐振器件/span/strong/p/td/trtr style=" height:25px"td style="border-color: currentcolor windowtext windowtext border-style: none solid solid border-width: medium 1px 1px border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " width="132" height="25"p style="line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"单位名称/span/p/tdtd colspan="3" style="border-color: currentcolor windowtext windowtext currentcolor border-style: none solid solid none border-width: medium 1px 1px medium padding: 0px 7px " width="501" height="25"p style="line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"中科院半导体研究所/span/p/td/trtr style=" height:25px"td style="border-color: currentcolor windowtext windowtext border-style: none solid solid border-width: medium 1px 1px border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " width="132" height="25"p style="line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"联系人/span/p/tdtd style="border-color: currentcolor windowtext windowtext currentcolor border-style: none solid solid none border-width: medium 1px 1px medium padding: 0px 7px " width="168" height="25"p style="line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"杨晋玲/span/p/tdtd style="border-color: currentcolor windowtext windowtext currentcolor border-style: none solid solid none border-width: medium 1px 1px medium padding: 0px 7px " width="161" height="25"p style="line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"联系邮箱/span/p/tdtd style="border-color: currentcolor windowtext windowtext currentcolor border-style: none solid solid none border-width: medium 1px 1px medium padding: 0px 7px " width="172" height="25"p style="line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"jlyang@semi.ac.cn/span/p/td/trtr style=" height:25px"td style="border-color: currentcolor windowtext windowtext border-style: none solid solid border-width: medium 1px 1px border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " width="132" height="25"p style="line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"成果成熟度/span/p/tdtd colspan="3" style="border-color: currentcolor windowtext windowtext currentcolor border-style: none solid solid none border-width: medium 1px 1px medium padding: 0px 7px " width="501" height="25"p style="line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"□正在研发 √已有样机 □通过小试 □通过中试 √可以量产/span/p/td/trtr style=" height:25px"td style="border-color: currentcolor windowtext windowtext border-style: none solid solid border-width: medium 1px 1px border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " width="132" height="25"p style="line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"合作方式/span/p/tdtd colspan="3" style="border-color: currentcolor windowtext windowtext currentcolor border-style: none solid solid none border-width: medium 1px 1px medium padding: 0px 7px " width="501" height="25"p style="line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"√技术转让 √技术入股 √合作开发 √其他/span/p/td/trtr style=" height:304px"td colspan="4" style="border-color: currentcolor windowtext windowtext border-style: none solid solid border-width: medium 1px 1px border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " width="633" height="304"p style="line-height:150%"strongspan style=" line-height:150% font-family: 宋体"成果简介：/span/strong/pp style="text-indent:28px line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"射频MEMS谐振器件是基于半导体微纳加工技术制备的高性能、集成化硅基时钟器件，具有高性能、低功耗、低成本、可与IC集成等优势。是对石英产品的升级换代，正以120%的年增长率，逐渐取代石英晶体振荡器。/span/pp style="text-indent:28px line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"本项目将在国内首次实现高性能MEMS谐振器、振荡器等射频谐振电子器件的产业化，打破国外公司的技术垄断。我们拥有高频率、高Q值MEMS谐振器件的设计、加工、封装、测试等整套技术，主要的关键技术包括：创新的采用圆盘谐振结构的面内振动模态，实现高频率的谐振输出，降低能量损耗。开发了高成品率的硅基谐振器件微纳加工技术和高可靠性的圆片级封测技术，制备高性能谐振器；利用高增益、低噪声的驱动电路和温度补偿电路构成高稳定性振荡器，开发了射频MEMS器件的小信号测试技术，可实现大规模制备与测试，大幅降低器件成本。/span/pp style="text-indent:28px line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"本项目的创新点包括：国内首次实现具有高频、高Q的特性的MEMS谐振器、振荡器等器件，属于技术创新；高性能的驱动电路设计，提高了振荡器的系统稳定性；MEMS振荡器的高可靠性硅基集成加工，实现高成品率的批量生产，与CMOS工艺兼容等特点，可取代分立的石英晶振产品，集成在功能芯片中作为电路系统的时钟器件。/span/pp style="text-indent:28px line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"由于MEMS谐振器对加工精度的要求很高，加工误差将导致频率的改变，且电极和圆盘之间的间隙也只有几十纳米的量级，普通微加工技术难以实现低成本、批量化的纳米尺度加工。因此，我们采用了牺牲层释放技术，实现纳米间隙的加工。同时采用新型支撑结构和圆盘一次刻蚀，填充的技术，实现了图形的自对准，避免了多次套刻产生的工艺误差。/span/pp style="text-indent:28px line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"本产品具有高频、高Q、可集成、低功耗等特性，MEMS 谐振器和振荡器的整体性能与国外先进水平相当，实现国内首家大规模供货的射频谐振器件公司，可快速进入石英晶振的市场。/span/p/td/trtr style=" height:75px"td colspan="4" style="border-color: currentcolor windowtext windowtext border-style: none solid solid border-width: medium 1px 1px border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " width="633" height="75"p style="line-height:150%"strongspan style=" line-height:150% font-family: 宋体"应用前景：/span/strong/pp style="text-indent:28px line-height:24px"span style=" font-family:宋体"如果把中央处理器芯片比喻为现代电子系统的大脑，那么时钟组件当之无愧是其心脏。一颗健康、稳定、持久的“心脏”，将直接影响到电子系统的功能和可靠性。谐振器件就是电子系统中的频率参考源，即时钟器件，产生固定周期振荡信号的器件。/span/pp style="text-indent:28px line-height:24px"span style=" font-family:宋体"每个现代电子产品中都不止一个频率参考源。每年生产的频率参考源器件数以百亿计。/span/pp style="text-indent:28px line-height:24px"span style=" font-family:宋体"一般分为石英谐振器、MEMS谐振器和陶瓷谐振器。/span/pp style="text-indent:28px line-height:24px"span style=" font-family:宋体"陶瓷谐振器体积大，一般较少使用。石英作为时钟市场的主流技术，一直占据着霸主地位。但受传统制造工艺限制及下游原材料（起振电路和基座）市场的垄断，性价比难以进一步提升。/span/pp style="text-indent:28px line-height:150%"span style=" line-height:150% font-family:宋体"MEMS/spanspan style=" line-height:150% font-family:宋体"谐振器具有体积小、成本低、可与电路集成等优点，是未来通信系统的热门研究对象，是石英谐振器的升级换代产品。目前，MEMS的振荡器产品已经广泛应用于消费电子领域，如智能手机、数码相机等，影音设备，如摄录机、机顶盒、音响设备等以及网络和通信领域，如以太网转换器、路由器、基站等电子产品和工业基础电子系统中。MEMS振荡器已经被应用于iphone7手机中作为时钟芯片，全球数以亿计的智能手机出货量，给MEMS振荡器创造了巨大的市场机会。/span/p/td/trtr style=" height:72px"td colspan="4" style="border-color: currentcolor windowtext windowtext border-style: none solid solid border-width: medium 1px 1px border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " width="633" height="72"p style="line-height:150%"strongspan style=" line-height:150% font-family: 宋体"知识产权及项目获奖情况：/span/strong/pp style="text-indent:28px line-height:150%"a title="一种频率可切换的微机械谐振器及其制备方法"span style=" line-height:150% font-family: 宋体 color:windowtext text-underline:none"一种频率可切换的微机械谐振器及其制备方法/span/aspan style=" line-height:150% font-family:宋体"（申请号CN201310750721.X）/span/pp style="text-indent:28px line-height:150%"a title="频率可调的MEMS谐振器"span style=" line-height:150% font-family:宋体 color:windowtext text-underline:none"频率可调的MEMS/spanspan style=" line-height:150% font-family: 宋体 color:windowtext text-underline:none"谐振器/span/aspan style=" line-height:150% font-family:宋体"（申请号CN201310306960.6）/span/pp style="text-indent:28px line-height:150%"a title="频率可切换的微机械谐振器"span style=" line-height:150% font-family:宋体 color:windowtext text-underline:none"频率可切换的微机械谐振器/span/aspan style=" line-height:150% font-family:宋体"（申请号CN201310178457.7）/span/pp style="text-indent:28px line-height:150%"a title="MEMS振荡器"span style=" line-height:150% font-family:宋体 color:windowtext text-underline:none"MEMS/spanspan style=" line-height:150% font-family:宋体 color:windowtext text-underline:none"振荡器/span/aspan style=" line-height:150% font-family:宋体"（申请号CN201310178827.7）/span/pp style="text-indent:28px line-height:150%"a title="一种微机械谐振器及其制作方法"span style=" line-height:150% font-family:宋体 color:windowtext text-underline:none"一种微机械谐振器及其制作方法/span/aspan style=" line-height:150% font-family:宋体"（申请号CN201310235167.1）/span/pp style="text-indent:28px line-height:150%"a title="用于微机电系统器件的圆片级三维封装方法"span style=" line-height:150% font-family:宋体 color:windowtext text-underline:none"用于微机电系统器件的圆片级三维封装方法/span/aspan style=" line-height:150% font-family:宋体"（申请号CN201110346268.7）/span/p/td/tr/tbody/table

2024年7月9日，由中国材料研究学会主办、欧洲材料研究学会联合主办、广东工业大学协办的中国材料大会2024暨第二届世界材料大会在广州白云国际会议中心盛大开幕。本届大会是在加快推进高水平科技自立自强大背景下举办的新材料领域跨学科、跨领域、跨行业的学术交流大会，是中国新材料界学术水平高、涉及领域广、前沿动态新的品牌大会。借此盛会，仪器信息网采访了三亚声演科技有限公司（以下简称“三亚声演”） 技术顾问/厦门大学 教授汤立国。采访中，汤老师详细介绍了公司的主要产品——超声谐振谱仪的功能、应用领域及相较于同类产品的优势，并分享了超声谐振谱技术未来的发展趋势，及基于此技术公司的发展规划等。仪器信息网：本次是贵公司第几次参加中国材料大会？参会感受如何？汤立国：这是我们公司第一次参加中国材料大会仪器展。通过这次大会确实可以了解到行业里面的很多需求，对今后仪器的推广有非常大的作用。仪器信息网：本次贵公司带来了哪些解决方案或新品？主要针对哪些市场？解决了用户的哪些痛点？汤立国：这次带来的主要产品是超声谐振谱仪，目前是国内首款超声谐振谱仪。我们公司是全球第三家能提供超声谐振谱仪的公司，其中一家是美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室，另外一家是日本的KK公司。我们公司生产的这款产品与这两家公司相比，产品的软件功能更为全面。这款仪器的主要功能：一是可以定征压电材料所有弹性常数和压电常数，而且在定征过程中只需要单块样品，也是目前全球唯一一款可以对压电晶体所有弹性常数和压电常数进行表征的超声谐振谱仪。除了对压电晶体的材料常数进行表征，这套系统还可以对合金、陶瓷以及其他人工晶体的所有弹性常数进行表征。与传统的材料参数表方法相比，这套系统一方面它只需要单块样品，另外对于各向异性强烈的材料，定征的效率和精度更高，并且可以对压电材料、弹性材料的材料常数随温度的变化特性进行定征。仪器信息网：贵司相关产品的主要热点应用领域有哪些？采取了哪些产品研发计划或市场计划？汤立国：在压电行业和合金行业，在进行材料常数定征时，如定征压电晶体的所有弹性常数和压电常数时，传统方法是采用超声脉冲回波法、电谐振法定征，需要多块尺寸差异显著的样品，由于需要采用多块样品，会导致定征的结果易出现不自洽。我们公司的超声谐振谱仪的优点就在于只需要单块样品就可以实现所有弹性常数和压电常数的表征，因此定征结果更加可靠，而且定征过程更加便捷。除了用于压电材料的定征，在合金行业（如高熵合金）或在功能陶瓷行业，对所有的弹性常数进行表征时，同样这款仪器只需要单块样品，就可以对所有的弹性常数进行高精度的定征。因此这款设备可以为国内压电行业、合金行业或功能陶瓷行业，从材料的制备到应用，都可以起到一个促进作用。仪器信息网：谈谈相关技术或产品未来的发展趋势？未来贵司将有哪些新产品和新技术发展计划？汤立国：超声谐振谱技术，虽然在几十年前就存在了，但是该技术在发展过程中，随着材料行业的发展，就出现了两个比较大的需求：一个是要在高温环境下，对材料参数进行表征，尤其是一些高温的压电晶体，甚至需要在1000℃的高温条件下，对所有的弹性常数、压电常数进行表征；另外还有在极端的环境下，如在航空航天中需要合金或压电材料在低温的情况下，对所有的材料参数进行表征。总之，在高温、低温这两种环境下，对功能材料的材料参数进行表征，是超声谐振谱仪发展的趋势。为了适应这个趋势的发展，目前我们公司开发了一款利用高温的超声换能器，这台设备结合高温超声换能器及高低温箱，可以对晶体或者合金在200℃的高温环境下所有的参数进行表征。目前我们公司还正在跟一些高低温箱的厂家进行深度合作，今年年底的目标是这套系统在500℃甚至更高的温度下实现材料参数的表征。明年打算开发一个低温系统，就是把这套仪器设备和低温的环境相结合，实现压电晶体、功能陶瓷等在-180℃甚至更低的环境下材料参数的表征。仪器信息网：贵司在过去一年中，业绩表现如何？接下来有哪些战略规划或市场规划？汤立国：目前这套系统是刚刚开发完成，还没有进行商业化的推广。下一步的主要任务是在国内的相关行业中，进行这款仪器设备的推广。因为目前这款仪器是国内首款的超声谐振谱仪，相信通过对这套仪器的推广，可以促进国内压电行业、合金行业、功能陶瓷行业的材料表征，为相关的科研人员提供一种全新的国产的表征仪器。

由悬浮石墨烯制成的纳米机械谐振器对压力变化表现出高灵敏度。然而，由于受空气阻尼的影响，这些设备在非真空环境中表现出明显的能量损失，以及由于石墨烯的轻微渗透，参考腔内不可避免地出现微弱的气体泄漏。2023年6月12日，北京航空航天大学李成副教授团队在ACS Appl. Mater. Interfaces期刊发表名为“High-Sensitivity Graphene MOEMS Resonant Pressure Sensor”的论文，研究提出了一种利用微电子机械系统技术的新型石墨烯谐振压力传感器，其特点是将多层石墨烯膜密封在真空中，并粘附在带有凹槽的压敏硅膜上。这种方法创新性地采用了间接敏感的方法，在大气中表现出60倍的能量损失，并解决了基底和石墨烯之间长期存在的气体渗透问题。值得注意的是，所提出的传感器表现出1.7Hz/Pa的高压力灵敏度，比硅的同类产品的灵敏度高5倍。此外，全光封装腔结构有助于实现6.9×10-5/Pa的高信噪比和低温度漂移（0.014%/℃）。所提出的方法为使用二维材料作为敏感膜的压力传感器的长期稳定性和能量损失抑制提供了一个很好的解决方案。MOEMS石墨烯谐振压力传感器其特点是通过阳极键合实现10-3Pa的真空封装，大大降低了压力差下基底和石墨烯之间高空气阻尼和气体渗透造成的能量损失。总的来说，所提出的传感器为提高信噪比和实现二维材料谐振传感器的可靠使用提供了一个有前途的解决方案。