乙炔分子检测激光器

威斯康星大学Milwaukee分校的研究团队，用X射线激光器以慢动作的形式展示了一个光敏性生物分子的快速动态。&ldquo 人们能够在这一技术的基础上，以原子水平的空间分辨率和超快的时间分辨率制作纳米世界的电影，&rdquo 领导这项研究的Marius Schmidt教授说。　　研究人员将PYP蛋白(photoactive yellow protein)作为模式系统，PYP是一种蓝光感受蛋白，在特定细菌的光合作用中起作用。PYP蛋白捕获蓝光光子之后，会经过一系列中间结构获得光子的能量，然后再回到初始状态。PYP光循环的绝大多数步骤已经被人们研究过了，是验证新方法的理想模型。　　为了获得PYP的动态快照，研究人员制造了微小的PYP晶体，这些晶体的直径大多小于0.01毫米。他们在LCLS(目前最强的X射线激光器)系统中喷射这些微晶体，并用精确同步的蓝光脉冲启动它们的光循环。LCLS生成了极短极密集的X射线快照，捕捉到了PYP在光循环不同阶段的形态改变，分辨率达到了前所未有的0.16纳米。随后研究人员将自己获得的快照组成视频，展示了慢动作的PYP光循环。　　这项研究再现了PYP光循环的所有已知过程，验证了这个新技术的可靠性，同时还揭示了PYP光循环的更多细节。这一技术的时间分辨率非常高，能揭示不到1皮秒的分子活动，这是以前无法想像的。　　&ldquo 这是一个真正的突破，&rdquo 文章的共同作者Henry Chapman教授说。&ldquo 我们现在可以在原子水平上对动态过程进行时间分辨研究。&rdquo 　　与其他方法相比，X射线激光器在研究超快分子动态时有着更多的优势。该技术能生成世界上最明亮的X射线，提供飞秒级别的时间分辨率。X射线激光器成像时使用新鲜样本，样本中不会积累辐射伤害，而且特别适合研究非常小的晶体。实际上，一些很难结晶的生物分子只能用X射线激光器进行研究。另外，晶体小也有助于分子的同步，使人们能更灵敏的检测到分子发生的改变。换而言之，X射线激光器能够揭示其他方法无法企及的分子动态。

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

如今，激光器已经广泛应用于通信、焊接和切割、增材制造、分析仪器、航空航天、军事国防以 及医疗等领域。激光的光束质量无论对于激光器制造客户还是激光器使用客户都是重要的核心指标之 一。许多客户依赖激光器的出厂报告，从而忽略了对于激光器光束质量测试的重要性，往往在后面激 光器使用过程中达不到理想的效果。通过下方的对比图可以看出，同样的功率情况下（100W），如果焦点产生微小的漂移，对于材 料加工处的功率密度足足变化了 72 倍！所以，激光器仅仅测试功率或能量是远远不够的。对于激光光束质量的定期检测，如激光光斑尺寸大小、能量分布、发散角、激光光束的峰值中心、几何中心、高斯拟合度、指向稳定性等等，都是非常必要的。我公司对于激光光束质量的测试有着丰富且**的经验，对于不同波长、不同功率、不同光斑大小的激光器都可以提供具有针对性的测试系统和方案。相机式光束分析仪相机式光束分析仪采用二维阵列光电传感器，直接将辐照在传感器上的光斑分布转换成图像，传输至电脑并进行分析。相机式光斑分析仪是目前使用*多的光斑分析仪，可以测试连续激光、脉冲激光、单个脉冲激光，可实时监控激光光斑的变化。完整的光束分析系统由三部分构成：（1）相机针对用户激光波长以及光斑大小不同的测量需求，SPIRICON 公司推出了如下几类面阵相机：● 硅基 CMOS 相机通常为 190nm ~ 1100nm；● InGaAs 面阵相机通常为 900 ~ 1700nm；● 热释电面阵相机则可覆盖13 ~ 355nm 及 1.06 ~ 3000μm。相机的芯片尺寸决定了能够测量的光斑的*大尺寸，而像素尺寸则决定了能够测量的*小光斑尺寸；通常需要 10 个像素体现一个光斑完整的信息。相机型号SP932ULT665SP504S波长范围190-1100nm340-1100nm芯片尺寸7.1×5.3mm12.5×10mm23×23mm像.大.3.45x3.45μm4.54×4.54μm4.5x4.5μm分.率2048x15362752×21925120×5120相机型号 XC-130 Pyrocam III HR Pyrocam IV波长范围900-1700nm13-355nm&1.06-3000µ m13-355nm&1.06-3000µ m芯片尺寸9.6*7.6mm12.8mm×12.8mm25.6mm×25.6mm像元大小30*30um75µ m×75µ m75µ m×75µ m分辨率320*256160×160320×320灵敏度64nw/pixel(CW)0.5nJ/pixel(Pulsed)64nw/pixel(CW) 0.5nJ/pixel(Pulsed)饱和度 1.3 μW/cm2 @ 1550 nm3.0W/cm2 (25Hz)4.5W/cm2（50Hz））3.0W/cm2 (25Hz)4.5W/cm2（50Hz）） （2）光束分析软件Spiricon 光斑分析软件BeamGage 界面人性化，操作便捷， 功能强大，其Ultra CAL**逐点背景扣除技术，可将测量环境中的杂散背景光完全扣除掉，使得测量结果真实，得到更精准的ISO 认证标准的光斑数据（详情见 ISO 11146-3-2004）。（3）附件针对用户的特殊要求或者激光的特殊参数设定，SPIRICON 公司推出了一系列光束分析仪的附件，如：分光器、衰减器、衰减器组、扩/缩束镜、宽光束成像仪、紫外转换模块等等。对于微米量级的光斑，传统面阵相机受到像素的制约，无法成像或者无法显示完整的光斑信息。我们有两类光束分析仪可供选择。狭缝扫描光束分析仪NanoScan 2s 系列狭缝扫描式光束分析仪，源自2010 年加入OPHIR 集团的PHOTON INC。PHOTON INC 自 1984 年开始研发生产扫描式光束分析仪，在光通讯、LD/LED 测试等领域享有盛名。扫描式与相机式光斑分析仪的互补联合使得OPHIR 可提供完备的光束分析解决方案。扫描式光束分析是一种经典的光斑测量技术，通过狭缝 / 小孔取样激光光束的一部分，将取样部分通过单点光电探测器测量强度，再通过扫描狭缝 / 小孔的位置，复原整个光斑的分布。扫描式光束分析仪的优点 :● 取样尺度可以到微米量级，远小于 CCD 像素，可获得较高的空间分辨率而无需放大；● 采用单点探测器，适应紫外 ~ 中远红外宽范围波段；● 适应弱光和强光分析；扫描式光束分析仪的缺点 :● 多次扫描重构光束分布，不适合输出不稳定的激光；● 不适合非典型分布的激光，近场光斑有热斑、有条纹等的状况。扫描式光束分析仪与相机式光束分析仪是互补关系而非替代关系；在很多应用，如小光斑测量（焦点测量）、红外高分辨率光束分析等方面，扫描式光束分析仪具备独特的优势。自研自产的焦斑分析仪系统及附件STD 型焦斑分析系统● 功率密度 / 能量密度较大，NA 小于 0.05（约 3°），且焦点之前可利用距离大于 100mm，应当考虑使用本型号。● L 型焦班分析系统的标准版，采用双楔，镜头在双楔之间。● 综合考虑了整体空间利用率、对镜头的保护等因素。● 可进一步升级成为双楔在前的型号，以应对特别大的功率密度 /● 能量密度。● 合适用户 : 科研和工业的传统激光用户，高功率高能量激光用户， 超长焦透镜用户，小 NA 客户。02 型焦班分析系统● 功率密度 / 能量密度较小，或 / 和 NA 大于 0.05（约 3°），或 / 和焦点之前可利用距离小于100mm，应当考虑使用本型号。● 比 STD 更好调节；物镜更容易打坏。● L 型焦班分析系统，采用双楔，镜头在双楔之前。如遇弱光，可定制将双楔换为双反射镜。● 02 型机架不用匹配镜头尺寸，通用，可按需选择镜头。● 非常方便对焦。● 合适用户 : 使用小于 100mm 透镜甚至显微镜头做物镜的用户（表面精密加工）；LD/ LED+ 微透镜的生产线做质检附件STA-C 系列 可堆叠 C 口衰减器&bull 18mm 大通光孔径。&bull 输入端为 C-Mount 内螺纹，输出端为 C-Mount 外螺纹。&bull 镜片有 1°倾角，因而可以堆叠使用。&bull 标称使用波段 350-1100nm。VAM-C-BB VAM-C-UV1 可切换式衰减模组&bull 18mm 通光孔径。&bull 标准品提供两组四片可推拉式切换的中性密度滤光片。&bull 用于需要快速改变衰减率的测量过程。&bull BB 表示宽波段，即 400-1100nm，提供 1+2、3+4 两组四片中性密度滤光片镜组。&bull UV1 表示紫外波段，即 350-400nm，提供 0.1+0.2、0.3+0.7 两组四片中性密度滤光片镜组。LS-V1 单楔激光采样模组&bull 20mm 大通光孔径。&bull 内置单片 JGS1 熔石英楔形镜采样片，易于拆卸和更换的楔形镜架。&bull 标称使用波段 190-1100nm。其他波段可定制。&bull 633nm 处 P 光采样率 0.6701%；S 光采样率 8.1858%。&bull 355nm 处 P 光采样率 0.7433%；S 光采样率 8.6216%。&bull 前端配模组母接口；后端配模组公接口及 C-Mount 外螺纹接口。DLS-BB 双楔激光采样模组&bull 15mm 通光孔径，体积紧凑。&bull 内置两片互相垂直的 JGS1 熔石英楔形镜采样片，无需考虑偏振方向。&bull 标称使用波段 190-1100nm，其他波段可定制。&bull 633nm 处采样率 0.05485%。&bull 355nm 处采样率 0.06408%。&bull 后端可配 C-Mount 外螺纹接口。SAM-BB-V1 SAM-UV1-V1 采样衰减模组&bull 20mm 大通光孔径。&bull BB 表示宽波段，即 400-1100nm，提供四个插槽和 0.3、0.7、1、2、3、4 六组中性密度滤光片镜组。&bull UV1 表示紫外波段，即 350-400nm，提供四个插槽和 0.1、0.2、0.3、0.7、1、2 六组中性密度滤光片镜组。&bull 前端配模组母接口；后端配 C-Mount 外螺纹接口。DSAM-BB DSAM-UV1 双楔采样衰减模组&bull 15mm 通光孔径，体积紧凑。&bull 内置两片互相垂直的 JGS1 熔石英楔形镜采样片，633nm 处采样率 0.05485%；无需考虑偏振方向。&bull BB 表示宽波段，即 400——1100nm，提供四个插槽和 0.3、0.7、1、2、3、4 六组中性密度滤光片镜组。&bull UV1 表示紫外波段，即 350——400nm，提供四个插槽和 0.1、0.2、0.3、0.7、1、2 六组中性密度滤光片镜组。&bull 后端配 C-Mount 外螺纹接口对于大功率激光器客户，如增材制造应用以及光纤激光器客户，我们还有专门的光束分析仪系统BeamCheck 和 BeamPeek 集成 CCD 光束分析仪直接探测高功率激光的光斑，以及一台功率计用于实时监测测量激光的功率。特殊的分束系统使其可以直接用于高功率激光，极小部分功率被分配给光束分析仪进行光斑分析，而大部分功率由功率计直接探测激光功率。可在近场或焦点处测量。BeamCheck 可持续测量不大于600W 的增材加工激光，BeamPeek 体积更为小巧，可测量*大1000W 的增材加工激光不大于2 分钟，然后自然冷却后进行下一轮测试。 型号BeamCheck BeamPeek波长范围1060-1080nm532nm 1030-1080nm功率测试范围0.1-600W10-1000W可持续测试性持续测试2min at 1000W光斑大小37µ m-3.5mm34.5µ m-2mm焦长范围200-400mm150-800mm OPHIR 的 BeamWatch 非接触式轮廓分析仪通过测量瑞利散射，捕获和分析波长范围为 980nm - 1080nm 的高功率工业激光。该分析仪包括全穿透光束测量技术、无运动部件、轻便紧凑型设计等特征，非常适合于高功率工业激光进行分析。主要参数 BeamWatch波长范围980-1080nm最小功率密度2MW/cm2最小焦斑大小55µ m最大入射口径12.5mm束腰宽度准确度±5%束腰位置准确度±125µ m焦点漂移准确度±50µ m接口方式GigE Ethernet仪器尺寸406.4mm×76.2mm×79.4mm

据美国物理学家组织网近日报道，美国加利福尼亚大学伯克利分校科学家利用新技术直接在硅表面生长出了极微小的纳米柱，形成一种亚波长激光器，这一成果将为制造纳米光学设备如激光器、光源检测仪、调制器、太阳能电池等带来新的突破。　　硅材料奠定了现代电子学的基础，但它在发光领域还有很多不足之处。工程人员转向了另外一族名为III-V半导体的新材料，以此来制造光基元件，如发光二极管和激光器。　　加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员通过金属—有机化学蒸发沉积的方法，在400摄氏度条件下，用一种III-V族材料铟镓砷在硅表面生长出纳米柱。这种纳米柱有着独特的六角形晶体结构，能将光线控制在它微小的管中，形成一种高效导控光腔。它能在室温下产生波长约950纳米的近红外激光，光线在其中以螺旋形式上下传播，经过光学上的相互作用而得以放大。　　研究人员指出，将III-V和硅结合制成单一的光电子芯片面临的最大障碍是，目前制造硅基材料的工业生产设备无法与制造III-V设备兼容。“要让III-V半导体在硅表面上生长，与硅制造设备兼容是关键，但由于经济和技术方面的原因，目前的硅电子生产设施很难改变。我们选用了一种能和CMOS(互补金属氧化半导体，用于制造集成线路)兼容的生长工艺，在硅芯片上成功整合了III-V纳米激光器。传统方法生长III-V半导体，要在700摄氏度或更高温度下进行，这会毁坏硅基电子元件。而新工艺在400摄氏度下就能生长出高质量III-V材料，保证了硅基电子元件正常发挥功能。”主要研究人员、加州大学伯克利分校电学工程与计算机科学教授康妮张-哈斯南说。　　张-哈斯南还指出，这种亚波长激光器技术将对多科学领域产生广泛影响，包括材料科学、晶体管技术、激光科学、光电子学和光物理学，促进计算机、通讯、展示和光信号处理等领域光电子学的革命。“最终，我们希望加强这些激光的特征性能，以实现光子和电子设备的结合。”

据美国物理学家组织网8月10日(北京时间)报道，新加坡数据存储研究所的魏永强(音译)和同事首次构建出一种由一个激光器和一个光栅集成的新型硅芯片，其中的光栅能让光变得更强并确保激光器输出1500纳米左右波长的光，而通讯设备标准的操作波长正是1500纳米。　　光纤在传输数据时需要让不同波长的激光束同时通过，但这些不同波长的光波容易相互串扰，因此需要对激光器进行精确谐调，让其发出特定波长的光以避免这种串扰。使用光栅可以解决这个问题。　　科学家们之前使用传统方法试图将一个激光器和一个光栅集成于一块硅芯片中，但都没有获得成功。激光器一般由几层半导体薄层构成，而光栅则由硅蚀刻而成，所有的材料都必须精确地对齐。传统的方法是，将激光器和光栅种植于一块独立的半导体芯片上，整个过程大约需要50多步，而且要求硅晶表面的粗糙度非常低，小于0.3纳米。　　在新硅芯片中，激光器置于一面镜子和一个弯曲的光栅之间。光栅就像一块具有选择能力的镜子，仅仅将某一特定波长的光反射回激光器中，这样就制造出了一个光共振腔，使激光活动只针对特定波长，因此提供了通讯领域要求的精确性。　　魏永强对这款新芯片进行测试后发现，其性能优异，发出光的功率为2.3毫瓦，而且只发出特定波长的光。　　魏永强表示：“从实际应用角度来考虑，我们需要将多光源激光器集成在一块芯片上，因此将多个激光器和光栅整合在一块硅芯片上将是我们下一步面临的挑战。我们计划通过利用能处理更广谱波长的同样的光栅结构来按比例扩展最新的单波长激光器。新设备标志着我们很快就能对集成在单硅芯片上的通讯设备进行商业化生产。”

美军的生物联合防区外检测系统(JBSDS)。JBSDS是防区外化学与生物威胁监测的应用实例，利用激光雷达(LIDAR)来探测一定距离外的气溶胶。DARPA希望通过LUSTER项目开发出小巧的大功率紫外激光器来实现类似功能。　　中新网3月6日电 据中国国防科技信息网报道，美国国防高级研究计划局(DARPA)启动了一项新研究，旨在开发出一种结构小巧、性能可靠的紫外线探测设备。　　该研究项目名为&ldquo 战术有效的拉曼紫外激光光源&rdquo (LUSTER)。DARPA向业界寻求设计方案，以开发结构紧致、高效低成本、可灵活部署的深紫外(deep UV)激光生化战剂探测新技术。这种新技术可以节省空间、降低重量和功率需求，也比当前的同类装置要敏感很多。DARPA的目标是：新紫外激光器的体积不超过目前激光器的1/300，同时效率提高10倍。　　拉曼光谱分析是利用激光来测量分子振动、从而迅速准确地识别未知物质的方法。紫外激光的波长特别适合进行拉曼分析，但美国国防部当前所使用的战术紫外线探测系统体积庞大、价格昂贵，其性能也有限。　　DARPA项目经理丹格林介绍说，目前探测系统的体积和重量太大，需要用卡车运送，而LUSTER项目的目标是开发出具有突破性的化学与生物战剂探测系统，可以单兵携带，并且效率大幅提高，同时，DARPA希望新系统的价格也能在目前探测系统价格基础上&ldquo 抹去几个零&rdquo 。　　目前&ldquo 紧凑型中紫外技术&rdquo (CMUVT)项目已经完成，DARPA希望在此基础上研制LUSTER。CMUVT项目研发出了创纪录的高效大功率中紫外线发光二极管，紫外线波长接近LUSTER的紫外光波长。 但发光二极管对化合物识别的灵敏度有限，因此DARPA希望LUSTER项目能够开发出新的激光技术，使其准确度和灵敏度不低于当前昂贵的激光系统，而其稳定性和成本又与发光二极管相当。　　格林透露，除了用于探测战场或国内大规模恐怖袭击中可能出现的化学与生物战剂，紫外激光器还有许多其他用途，例如医疗诊断、先进制造和紧凑的原子钟。　　LUSTER项目可考虑采用多种不同的技术方法，只要他们能够发出220-240纳米波长的深紫外光，其功率输出大于1瓦，功率转换效率大于10%，导线宽度小于0.01纳米。

据英国《新科学家》杂志网站8月18日(北京时间)报道，俄罗斯国立核研究大学的亚历山大费德罗夫及其同事在即将发表于最新一期《物理评论快报》上的研究论文中说，根据他们的计算，一个强大的激光器可将制造出的首个正负电子对加速到很高的速度，从而让它们发光，这道光再与激光“合力”，产生更多的电子对。而这正是量子力学在20世纪30年代的一种预言。　　量子力学的不确定性原理意味着，宇宙空间并不是真的空无一物。相反，宇宙的随机波动使之变成了“一锅热腾腾的粒子汤”，电子以及其对应的反物质正电子就在其中。通常情况下，这些粒子一碰到其反物质，彼此都会瞬间湮灭于无形，我们根本来不及一睹其真容。不过，物理学家在20世纪30年代曾经预言，一个非常强大的电场可以让这些“幽灵粒子”显露形迹。由于这些粒子带有相反的电荷，电场可以将它们推往相反的方向，使它们分开而不至于同归于尽。　　而能够产生强大电场的激光器就是完成这项任务的理想“人选”。1997年,美国斯坦福直线加速器中心的物理学家们利用激光成功制造出了正负电子对，不过当时一次只能产生一个正负电子对。现在，科学家通过计算表明，下一代功能更强大的激光器可以通过启动连锁反应，捕捉到数以百万计的正负电子对。　　俄研究小组的计算表明，对于一台可将大约1026瓦的能量聚焦于一平方厘米范围的激光器而言，这样的连锁反应能够有效地将其激光转变成数百万个正负电子对。　　该研究论文的合作者、德国马普量子光学研究所的乔治科恩称，第一个拥有如此强大功能的激光器或许于2015年由欧洲超强激光设施项目建成，不过之后还需几年时间完成必要的升级才能达到每平方厘米聚焦1026瓦的能量。　　美国普林斯顿大学的柯克麦克唐纳表示，能够产生大量正电子的能力对于粒子加速器非常有用，比如提议新建的国际直线对撞器，其能够以极高的能量使电子和正电子一起粉碎，模拟宇宙诞生瞬间的高能量场景。　　目前用于大批量制造正电子的标准方法是将一块金属片上的高能电子束点火，以产生正负电子对。有专家认为，与之相比，超强激光器利用连锁反应来制造正电子的成本过于高昂。

硅基光电子集成芯片以成熟稳定的CMOS工艺为基础，将传统光学系统所需的巨量功能器件高密度集成在同一芯片上，提升芯片的信息传输和处理能力，可广泛应用于超大数据中心、5G/6G、物联网、超级计算机、人工智能等新兴领域。硅(Si)材料发光效率低，因此将发光效率高的III-V族半导体材料如砷化镓(GaAs)外延在CMOS兼容Si基衬底上，并外延和制备激光器被公认为最优的片上光源方案。Si与GaAs材料间存在大的晶格失配、极性失配和热膨胀系数失配等问题，因而在与CMOS兼容的无偏角Si衬底上研制高性能硅基外延激光器需要解决一系列关键的科学与技术难点。 　　近期，中国科学院半导体研究所材料科学重点实验室杨涛与杨晓光研究团队，在硅基外延量子点激光器及其掺杂调控方面取得重要进展。该团队采用分子束外延技术，在缓冲层总厚度2700nm条件下，将硅基GaAs材料缺陷密度降低至106cm-2量级。科研人员采用叠层InAs/GaAs量子点结构作为有源区，并首次提出和将“p型调制掺杂+直接Si掺杂”的分域双掺杂调控技术应用于有源区，研制出可高温工作的低功耗片上光源。室温下，该器件连续输出功率超过70mW，阈值电流比同结构仅p型掺杂激光器降低30%。该器件最高连续工作温度超过115°C，为目前公开报道中与CMOS兼容的无偏角硅基直接外延激光器的最高值。上述成果为实现超低功耗、高温度稳定的高密度硅基光电子集成芯片提供了关键方案和核心光源。 　　6月1日，相关研究成果以Significantly enhanced performance of InAs/GaAs quantum dot lasers on Si(001) via spatially separated co-doping为题，发表在《光学快报》(Optics Express)上。国际半导体行业杂志Semiconductor Today以专栏形式报道并推荐了这一成果。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。图1.硅基外延量子点激光器结构示意及器件前腔面的扫描电子显微图像。图2.采用双掺杂调控的器件与参比器件在不同工作温度下的连续输出P-I曲线，插图为双掺杂调控激光器在115℃、175mA连续电流下的光谱。

美国哈佛大学和英国利兹大学的一个联合研究小组最近演示了一种新型太赫兹半导体激光器，其发射的太赫兹光波准直性能与传统太赫兹光源相比显著改善。该激光器的研发成功，为太赫兹科技的应用打开了更广阔的领域。哈佛已经为此提交了一系列专利申请。这一进展发布在8月8日的《自然材料》杂志上。　　新型太赫兹激光器突破了传统材料的限制，研究人员刻了一组亚波长光栅，直接加倍了超材料晶面的光流量，设备以3太赫兹(百亿赫兹)的频率发射光线(波长为100微米，在可见光谱中属于远红外线)，大大降低了这些半导体激光器的散射角度，同时保持了光能的高输出功率。　　这种超材料被直接嵌入光学设备的高吸收性砷化镓晶面上，在演示中能看到，人造光显示出深浅不同的微米光栅，各具不同的功能。浅蓝色的狭缝能将输出的激光功率加倍，导向并限定在晶体表面。　　太赫兹射线(T—rays)能穿透纸张、衣物、塑料和其他一些材料，在探测隐匿武器和生物制剂方面非常理想，在做肿瘤成像检测时对人体无伤害和副作用，还能探测材料内部诸如断裂之类的缺陷，也可用于星际稀薄化学物质的高灵敏探测。　　研究人员卡帕索表示，新的人造光学设备，从晶面上发出的激光器非常紧密，瞄准度非常高，高度凝聚使光能有效聚集，这是昂贵且笨重的传统透镜达不到的。　　另一位研究人员林菲尔德说，新的太赫兹激光器还能用于海关探测非法药品，并能检验生产和存储的药物是否合格。这种超材料还能用作一种演示的工具，同时还具有一些神奇的潜在功能，如用来研发隐身斗篷、负折射和高解析图像。　　研究的另一项重要意义就是这种超材料的光导作用。该设备产生的极强太赫兹光线，以直线光束导向激光晶面，这种超强的限定导向作用，还可应用于传感器和太赫兹光路。

美国哈佛大学和英国利兹大学的一个联合研究小组最近演示了一种新型太赫兹半导体激光器，其发射的太赫兹光波准直性能与传统太赫兹光源相比显著改善。该激光器的研发成功，为太赫兹科技的应用打开了更广阔的领域。哈佛已经为此提交了一系列专利申请。这一进展发布在8月8日的《自然材料》杂志上。　　新型太赫兹激光器突破了传统材料的限制，研究人员刻了一组亚波长光栅，直接加倍了超材料晶面的光流量，设备以3太赫兹(百亿赫兹)的频率发射光线(波长为100微米，在可见光谱中属于远红外线)，大大降低了这些半导体激光器的散射角度，同时保持了光能的高输出功率。　　这种超材料被直接嵌入光学设备的高吸收性砷化镓晶面上，在演示中能看到，人造光显示出深浅不同的微米光栅，各具不同的功能。浅蓝色的狭缝能将输出的激光功率加倍，导向并限定在晶体表面。　　太赫兹射线(T—rays)能穿透纸张、衣物、塑料和其他一些材料，在探测隐匿武器和生物制剂方面非常理想，在做肿瘤成像检测时对人体无伤害和副作用，还能探测材料内部诸如断裂之类的缺陷，也可用于星际稀薄化学物质的高灵敏探测。　　研究人员卡帕索表示，新的人造光学设备，从晶面上发出的激光器非常紧密，瞄准度非常高，高度凝聚使光能有效聚集，这是昂贵且笨重的传统透镜达不到的。　　另一位研究人员林菲尔德说，新的太赫兹激光器还能用于海关探测非法药品，并能检验生产和存储的药物是否合格。这种超材料还能用作一种演示的工具，同时还具有一些神奇的潜在功能，如用来研发隐身斗篷、负折射和高解析图像。　　研究的另一项重要意义就是这种超材料的光导作用。该设备产生的极强太赫兹光线，以直线光束导向激光晶面，这种超强的限定导向作用，还可应用于传感器和太赫兹光路。

近日，华南理工大学教授李志远团队成功造出一台全谱段白光激光器，其具备光斑明亮、光谱光滑且平坦、大脉冲能量的特点，能覆盖 300-5000nm 的紫外-可见-红外全光谱，单脉冲能量达到 0.54mJ。这样一台全谱段白光激光器的面世，可用于构建全谱段的超快光谱学探测技术，有望将激光技术推至世界领先水平，从而更好地服务于前沿研究。图 | 李志远（来源：李志远）基于本次成果，课题组将进一步构建全谱段的超快光谱学探测设备，届时有望对物质内部多个波段中的物理、化学和生命过程开展超快的精密探测，从而实现高速摄谱的技术能力，进而用于开展二维材料、锂离子电池、化学催化等领域的研究。本次研究中所涉及的光谱学技术，可以覆盖深紫外-可见波段的原子以及分子的电子跃迁吸收谱，也能覆盖近红外波段的半导体带间电子跃迁吸收谱、以及中红外波段的分子振动等。借此可以打造一种崭新的光谱学检测手段，对于那些使用传统手段所无法揭示的新现象和新规律，本次新手段很有希望填补相关空白。（来源：Light: Science & Applications）鉴于光学波段的光子和物质的电磁相互作用强度以及灵敏度，远远超过 X 射线光子与物质原子核、以及内壳层电子的电磁相互作用。而且，即便是 1mJ 量级的全谱段白光飞秒脉冲激光的光子亮度，也远远超过目前同步辐射 X 射线光源的亮度。“因此，全谱段白光激光器在物质科学和生命科学中所发挥的作用，也有望超过传统的同步辐射 X 射线光源。”李志远表示。日前，相关论文以《强紫外-可见-红外全谱段激光器》 （Intense ultraviolet–visible–infrared full-spectrum laser）为题发在 Light: Science & Applications，华南理工大学博士生洪丽红是第一作者，华南理工大学李志远教授、中国科学院上海光学精密机械研究所（上海光机所）李儒新院士担任共同通讯 [7]。图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）助力解决 Science 125 个待解难题之一据介绍，作为一种崭新的激光光源，超宽带白光激光具有极宽带宽、高光谱平坦度、大脉冲能量、高峰值功率、高时空相干性等五大优点，能极大拓展激光技术的发展和应用范围。而如何构建一台覆盖紫外-可见-红外波段的全谱段白光激光器，同时拥有高峰值功率和高脉冲能量，是一个极具挑战的宏大目标。2020 年，Science 杂志将其列为 125 个前沿重大科学问题之一。主要原因在于，基于目前纯粹单一的激光器技术、二阶非线性变频技术、以及三阶非线性频率展宽技术，远不足以解决这一问题。过去十年，李志远团队基于自主开发的啁啾结构非线性铌酸锂晶体，结合大脉冲能量、高峰值功率的飞秒脉冲激光泵浦，利用二阶和三阶非线性协同作用的原创性物理机制，提升了白光飞秒激光的转换效率、频谱带宽、脉冲能量、光谱平坦度等指标。要想产生全谱段白光飞秒激光，需要达到两个先决条件：带宽超过一个光学倍频程的强泵浦飞秒激光光源，以及具有极大非线性频率上转换带宽的非线性晶体。不过，要想同时满足上述两个条件并非易事。为此，课题组使用光学参量啁啾脉冲放大技术，以及使用由充气空心光纤、纯铌酸锂晶体材料和啁啾极化铌酸锂晶体组成的极宽带非线性变频模块，将飞秒激光技术、二阶非线性变频技术、三阶非线性频率展宽技术加以综合，研制了这款全谱段白光激光器。其中，二阶和三阶非线性效应协同作用的原创性物理机制，是打造本次全谱段白光激光器的秘密。上述机制的好处在于，能够清除二阶非线性或三阶非线性方案中所存在的输出光谱性能不佳的限制。李志远表示：“全谱段白光激光有望成为激光技术发展历史上的一个里程碑，并能很好地回答 Science 杂志 2020 年的 125 个最前沿的科学问题，即人类能否造出与太阳光相似的非相干强激光。”（来源：Light: Science & Applications）让中国学界真正拥有属于自己的实验设备多年来，学界一直渴望产生像太阳光一样的白光激光。紫外-可见-红外全谱段白光激光的产生，则一直是激光技术等待攻克的堡垒，也是李志远团队努力追求的目标。十年来，该课题组历经 8 次阶段性成果的积累，才造出了上述全谱段白光激光器。2014 年，该团队将啁啾调制的概念引入一维铌酸锂晶体的周期设计中。在可调谐近红外光源的帮助之下，设计出多个不同啁啾度的准相位匹配晶体，让二次、三次谐波产生的非线性过程的相位失配，能够在单个晶体中得到补偿，借此实现宽带可调谐三基色光源的同时输出，也拉开了课题组“白光激光”之梦的序幕。2015 年，李志远让学生陈宝琴开展啁啾结构铌酸锂晶体中六次谐波产生的研究。在实验的关键阶段，李志远去现场看学生做实验，结果发现了又圆又白的激光束产生，这完全出乎意料之外。李志远觉察到这是一个“好东西”。仔细分析之后，确定啁啾结构铌酸锂晶体产生了二到八次谐波。在一个固体材料中产生高次谐波，这是一个前所未有的科学发现，也让课题组开始树立“白光激光”的梦想。随后，他们设计了啁啾结构非线性光子晶体，以中红外飞秒脉冲激光为泵浦源，在单块晶体中同时产生了超宽带二到八次谐波。其中，四到八次谐波形成 400-900nm 超宽带可见白光激光，其转换效率达到 18%。2014 年和 2015 年的这两项工作表明：该团队自主研发的铌酸锂晶体二阶非线性方案，可以支持宽带二次谐波产生。同时，也能支持宽带二次谐波和三次谐波产生，甚至支持基于级联三波混频的高次谐波产生，最终可以实现超宽带可见白光激光的产生。而要想产生全谱段白光飞秒激光，就需要继续深挖上述方案的潜能，以便满足产生全谱段激光所需要的苛刻条件：即泵浦激光脉冲带宽要足够宽，非线性晶体材料的准相位匹配带宽要足够大。2018 年，课题组选用更高能量的近红外飞秒脉冲激光作为泵浦源，针对相关泵浦条件设计出一款啁啾结构铌酸锂晶体，这块晶体在不同偏振状态之下，均能同时产生二次谐波和三次谐波。通过此他们首次发现了二阶和三阶非线性协同作用的新物理机制，并证明这一机制能够显著提升相关性能的指标。利用级联二次谐波和三次谐波方案，他们生成了 400-900nm 可见-近红外波段的可调谐白光激光，转换效率达到 30％。这一发现，也促使他们去发现产生白光激光的更优路线，即基于二阶和三阶非线性协同作用产生超连续白光激光的方案。在新路线的指导之下，他们设计出一块能同时产生二到十次谐波的宽带白光非线性晶体材料。针对这款白光非线性晶体材料，他们又采取 45μJ 脉冲能量的 3.6μm 中红外飞秒脉冲激光泵浦的设计方案，借此产生 25dB 带宽、覆盖 350-2500nm 的紫外-可见-红外超连续白光飞秒激光，单脉冲能量为 17μJ，转换效率为 37%。在此基础之上，他们继续优化二阶非线性和三阶非线性协同效应。期间，该团队发现石英玻璃的三阶非线性效应远远优于铌酸锂晶体，而特殊设计的铌酸锂啁啾非线性光子晶体可以同时使用高达十二阶次的准相位匹配。后来，他们利用 0.5mJ 的钛宝石飞秒脉冲激光器泵浦，来对熔融石英-啁啾极化铌酸锂晶体进行泵浦，最终实现 10dB 带宽覆盖 375-1200nm、20dB 带宽覆盖 350-1500nm 的超连续激光，单脉冲能量为 0.17mJ，转换效率为 34%。前面提到，课题组期望实现的白光飞秒激光具有五个高指标。因此，在追求极宽带宽范围的同时，他们还得实现更大的脉冲能量、更高的光谱平坦度。于是，该团队以高能量钛宝石主激光作为泵浦源，针对由熔融石英和啁啾极化铌酸锂晶体组成的级联光模块，对其整体非线性响应进行进一步的操纵，从而显著提高了白光飞秒激光的综合性能。期间，他们利用 3mJ 脉冲能量的钛宝石飞秒激光泵浦，对石英-超宽带白光非线性晶体级联模块进行熔融，基于二阶和三阶非线性协同作用的高效超宽带二次谐波产生方案，实现了 mJ 量级、3dB 带宽覆盖 385-1080nm 的超宽带白光飞秒激光。此外，自 2018 年起课题组联合一家外部公司研制了 3mJ/50 fs/1 kHz 钛宝石飞秒激光器，实现了相关仪器的国产替代。并以此作为泵浦源，和白光非线性变频模块加以结合，从而形成了成熟高效的白光飞秒激光生成方案，借此造出一款白光飞秒激光整机设备。以上成果也促使他们进一步思考：如何产生覆盖一到十次谐波的全谱段白光激光？为此，他们与上海光机所李儒新院士团队合作，提出一款非线性级联装置。这种装置可以满足以下两个条件：一个较强的带宽达到光学倍频的中红外泵浦激光光源；以及一个具有极大非线性频率上转换带宽的非线性晶体。随后，他们基于光学参量啁啾脉冲放大技术，研制出一种中红外飞秒脉冲激光器，它具有 3.5mJ、3.9μm 中心波长，可以起到泵浦激光光源的作用。接着，基于宽带二阶和三阶非线性变频模块，他们获得了光谱范围 25dB 带宽、覆盖 300-5000nm 的全谱段超连续白光飞秒激光。“至此，我们欣喜地发现借助强中红外飞秒激光作为泵浦源已经成功走通了全谱段白光激光产生的道路。”李志远表示。（来源：Light: Science & Applications）总的来说，课题组已经实现了“三高”型白光飞秒激光：大单脉冲能量（第一高）、300-5000nm 的频谱宽度（第二高）、高光谱的平坦度（第三高），基本涵盖了铌酸锂晶体的全部透光范围。接下来，他们将继续与李儒新院士团队合作，朝向更高目标前进，力争实现深紫外-紫外-可见-近红外-中红外-远红外的“三高”全谱段白光飞秒激光。假如可以实现，就能建造比拟同步辐射光源、以及自由电子激光光学波段的全谱段超连续激光光源。“届时，相信我们中国科学界将拥有属于真正自己的研究物质科学和生命科学的实验设备。”李志远最后表示。

清华大学等单位共同承担的“十二五”863计划新材料领域“紫外激光器产业化关键技术及应用”课题取得重要进展，于近日通过技术验收。　　课题组解决了厘米级BBSAG晶体生长、非线性晶体超光滑表面加工、工业级应用的全固态激光器整机装配等工艺难点，突破了高光束质量紫外频率变换、非线性光学晶体的寿命及抗损伤、光束指向稳定性等多项关键技术，开发出10-30W不同功率级别的全固态紫外激光器和新型的BBSAG四倍频器件，产品性能达到国外同类产品水平，形成了一套拥有自主知识产权的全固态紫外激光核心技术，并实现了紫外激光器在微加工成套设备上的试用。　　课题实施期间，BBSAG晶体生长技术已经转移到福建福晶科技股份有限公司，该公司及下属公司已经实现BBSAG晶体的生产并出口到欧美等发达国家。经过本课题支持，课题组成功研制出最大输出功率达30W的紫外激光器，各项指标均达到甚至超过国际光电子公司紫外高功率激光器指标水平。该课题成果的产业化，将打破国外在紫外激光器市场中的垄断，极大地提升我国激光微加工制造产业的核心竞争力。

摘要：3月12日，总预算达1.4亿元的国家重大科研仪器设备专项“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”在大连正式启动。它将成为国际上唯一一套工作在50～150纳米区间且波长可调的全相干高亮度的自由电子激光器。　　对原子、分子的探测是物理化学研究的基础，但由于现有仪器设备的限制，大多数分子和自由基难以被单光子电离，使很多研究无法深入，成为困扰科研工作者的一大难题。　　一项旨在解决该难题的实验装置即将在我国建设。3月12日，总预算达1.4亿元的国家重大科研仪器设备专项“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”在大连正式启动。它将成为国际上唯一一套工作在50～150纳米区间且波长可调的全相干高亮度的自由电子激光器。　　项目总负责人、中科院院士杨学明表示，该装置的研制将极大提升我国在能源等相关基础科学领域的实验水平，并极有希望成为国际上相关领域的一个重要研究基地。　　强强联合　　项目负责人之一、中科院大连化物所研究员戴东旭介绍说，能源研究中，煤的热解等燃烧过程的中间产物往往以原子、分子、自由基的形式存在，这些微观粒子被电离为离子后才能变成电信号被测试到。因此，对微观粒子的高灵敏度、高时间分辨率和物种分辨的探测和研究至关重要。　　但是，大多数分子或自由基的激发电离波长都处于极紫外波段(50～150纳米)，而传统激光器产生的基本波长一般在近紫外到近红外波段(300～1000纳米)。这造成了传统激光激发电离微观粒子需要吸收多个光子，其效率和灵敏度会呈几何量级的降低，并且容易把产物打碎。　　为解决该问题，科学家提出了利用自由电子激光产生极紫外波段相干光的技术。该技术被认为是探测微观粒子最有效的途径。自由电子激光的波长可涵盖从硬X射线到远红外的所有波段，特别是利用高增益谐波产生(HGHG)技术产生的自由电子激光具有超高峰值亮度、超快时间特性和良好的相干性，应用价值巨大。　　但该技术直到近十年才在实验中得到验证。其中，中科院上海应用物理所在几年前建设了我国第一个自由电子激光，并成功进行了相关实验。　　而在大连，一位在科研中多年受困于粒子探测难题的科学家坐不住了。他就是以自己研发仪器进行实验而著名的杨学明。杨学明找到上海应用物理所，希望双方能够合作开发新设备。　　上海方面通过经验积累后也意识到，有把握将自由电子激光的波长从200纳米降到150纳米以内，并实现波长可调。于是双方一拍即合，经过几年论证，在2011年联合申请了国家自然科学基金委国家重大科研仪器设备专项。　　1月20日，上海应用物理所宣布：由该所研究员赵振堂领导的自由电子激光研究团队在国际上率先实现了HGHG自由电子激光大范围波长连续可调。　　“在这个项目中，大连化物所和上海应物所是完美结合。”戴东旭表示，上海光源的建成使上海应物所拥有了大科学工程的建设与管理经验，并掌握了大量的关键技术。　　从“敢想”到“敢做”　　据戴东旭介绍，自由电子激光在进入21世纪之后才开始兴旺发展起来。目前，几家研发自由电子激光的相关单位各有所长，其中一些在波长等指标方面较为领先，技术难度很高，但还没有一家可实现波长可调。　　位于合肥的国家同步辐射实验室目前能提供国内真空紫外最好的实验条件，在过去曾协助杨学明课题组做出很好的实验成果。但同步辐射光源毕竟不是激光，在相干性、峰值功率和时间特性上尚存差异。　　针对这些问题，大连化物所从实际需求出发提出要求，上海应用物理所在设计中将目标瞄准解决实验中的实际问题。　　据悉，该项目的设备将主要由我国自主研发。“这项技术国外也处在发展阶段，有些特殊指标只能自己制造，从国外买设备也需要从头研制。”戴东旭说。　　在1.4亿元的项目总预算中，国家自然科学基金委资助1.03亿元用于自由电子激光和实验装置的研制，中科院大连化物所自筹约0.4亿元用于基建和公用设施。该项目的科学目标是研制一套基于HGHG模式的波长可调谐的极紫外相干光源以及利用这一性能优越的光源的实验装置。这也将成为世界上独特的相关基础科学问题的实验平台。　　据悉，目前经费已经到位，装置计划将于2015年年底前建成。而且会在全国实现仪器共享，可应用于物理、化学、生物、能源等多个领域。戴东旭说：“装置建成后，以前测不到的将能测到，以前不好的信号将变清晰，以前做不了的实验也敢做了。”

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。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室与激光技术新体系融合创新中心在孤子锁模光纤激光器研究方面取得进展。研究团队报道了锁模光纤激光器中色散波辐射的物理机制及其时域表征。相关研究成果以“Characterization and Manipulation of Temporal Structures of Dispersive Waves in a Soliton Fiber Laser”为题发表于IEEE光学期刊《光波技术杂志》(Journal of Lightwave Technology)。孤子激光器中的色散波在频域上以凯利边带(Kelly sideband)的形式与孤子一同产生，由S. M. Kelly在1992年首次发现并解释，由孤子脉冲在锁模激光器内的周期性放大和衰减所产生，体现在孤子光谱上为一系列关于中心波长对称分布的光谱边带，是与孤子稳定性密切相关的光波成分。在锁模激光器中，凯利边带的产生是限制孤子脉冲能量的重要因素，往往需要通过一些技术方法加以压制；同时，色散波也可以成为孤子之间长距离相互作用的媒介，影响孤子序列的稳定性。之前绝大多数对于孤子激光器中色散波的实验研究集中在对于其频域特性(即凯利边带)的研究，而对色散波时域结构的研究却十分缺乏，不同激光器参数条件对色散波时域结构的影响尚无完整的理论与实验研究。针对这一问题，研究团队建立了孤子光纤激光器中色散波时域结构的动力学模型，用以分析两个重要因素：一是腔内群速度延迟导致的相位匹配关系变化，二是腔内的增益滤波效应；从而推导出了具有双边指数衰减形式的色散波包络形态。在实验上，团队搭建了单向环形锁模光纤激光器，并通过调节腔内色散(改变腔长 30~110 m)以及腔损耗(0~7 dB)，在一定程度上实现了对色散波时频波形的调控与测量。实验结果与理论模型的预测一致。此外，团队也研究了色散波和孤子的响应时间延迟，色散波结构的对称性等色散波特征。这项研究可加深对孤子光纤激光器动力学过程的理解，也为超快光纤激光、光孤子信息处理等应用技术发展提供了一定的参考。相关工作得到了张江实验室建设与运行项目、2021年度博士后创新人才支持计划、中国博后科学基金、上海市2021年度“科技创新行动计划”原创探索项目、国家青年高层次人才项目的支持。图1 色散波产生原理图2 腔色散对色散波衰减速率影响图3 腔损耗对色散波衰减速率影响

滨松光子学株式会社（静冈县滨松市，董事长：昼马 明 ，以下简称“滨松光子学（株）”）将传统泵浦用半导体激光器的功率提高了三倍，并优化了放大器的设计 ，成功开发了只有桌面尺寸大小，可以产生1焦耳（以下，j）的高能量、300赫兹（以下，hz）高重复频率的功率激光器。一般的激光器的输出功率与设备的尺寸、重复频率成正相关关系，而该课题实现了小型却高功率、高重复频率的激光器。本产品的诞生，通过去除细小的污垢的激光清洁来提高了传统加工的生产效率，同时，期待它在金属材料的激光成形、延长金属器件的使用寿命的激光喷丸等方面的新应用。该产品的开发是内阁办公室主导的综合科学技术与创新研发推进项目（impact）的一部分，是佐野雄二负责的“普及功率激光器以实现安全、安心、长寿社会”研发项目的一环，由滨松光子学（株）中央研究所产业开发研究中心副所长川嶋利幸等人开发，而且今后我们也将继续推进研究成果的产品化。此外，该新研发的产品将于11月1日（星期四）起连续3天在actcity滨松（滨松市中町区）举行的滨松光子综合展“2018photon fair”上展出。＜关于功率激光器＞功率激光器主要由振荡器和放大器组成。 振荡器由泵浦用半导体激光器、激光介质、全反射镜、输出镜和光开关组成，放大器由泵浦用半导体激光器和激光介质组成。 由振荡器发出的激光通过放大器时，从三种高能量状态（激发状态）的三段激光介质接收能量实现高功率输出。功率激光器的结构＜新产品概述＞该产品搭载了最新研发的泵浦用半导体激光器，虽然只有桌子尺寸大小，但却是可以产生1j的高脉冲能量且300hz的高重复频率的功率激光器。滨松光子学（株）已经开始制造并销售300hz的重复频率下输出功率为100w的泵浦用半导体激光器。此次，结合公司独有的晶体生长技术和镀膜技术，将传统泵浦用半导体激光的功率提高到世界最高水平300w，同时放大器在激光介质的长度和横截面积上下功夫，并采用具有提高冷却效率的放大器，解决了由于热问题导致激光介质损坏或破坏的问题，成功输出了传统放大器的3倍能量。这是因为放大器采用了新的散热设计，提高了激光的放大效率。此外，由于采用半导体激光器作为泵浦光源，具有高于市面上销售的氙灯泵浦脉冲激光器约10倍的光电转换效率，约100倍的泵浦光源的寿命。通过控制零部件的数量，成功实现了器件的稳定输出、小型以及低成本。一般激光器的功率与设备的尺寸、重复频率成正相关关系，但本产品却实现了小型而又高功率和高重复频率的特性。利用该产品，可以对附着于材料上的小污垢进行激光清洁，以提高传统加工的生产效率。此外，我们也期待脉冲激光器在工业领域的新应用，如飞机的金属材料等可以在不使用模具的情况下进行变形加工完成激光成形，以及通过激光喷丸来提高金属器件的使用寿命等。＜研发背景＞激光在金属材料的钻孔、焊接、切割等方面有着广泛地加工用途，为了提高生产效率，光纤激光器和co2激光器等各种各样的激光都在朝着高功率的方向发展。激光分连续输出一定强度激光的cw（continuous wave）激光和短时间内重复输出激光的脉冲激光，目前cw激光是激光加工领域的主流。另一方面，脉冲激光不同于cw激光，它正在朝着新型激光加工的应用方向发展。采用半导体激光器作为泵浦光源的功率激光器，它具有高功率、高重复频率的特性，但因为半导体激光器价格昂贵很难推向产品的实用化，而市场上销售的j级脉冲激光器上使用的泵浦光源多采用氙灯光源，对激光器内部有严重地热影响，因此重复频率只能限制在10hz左右。像这样，为了进一步提高生产效率，同时扩大用途，对小型且可以发出高功率、高重复频率脉冲激光的激光器的需求日益增加。主要规格＜委托研究信息＞此研究成果，是通过以下的科研课题项目得到的。内阁办公室创新研发推进项目（impact）项目负责人：佐野雄二研发项目：普及功率激光器以实现安全、安心、长寿社会研发课题：开发高功率小型功率激光器研究负责人：川鸠利幸（滨松光子学株式会社 中研研究所 产业开发研究中心 中心副主任）研发时间：2015年~2018年本研究开发课题是致力于开发桌子大小、高功率、高重复且稳定性高的脉冲输出的功率激光器。＜项目负责人佐野熊二的评论＞“普及功率激光器以实现安全、安心和长寿的社会”的impact计划，推动了大功率脉冲激光器的小型化、简化和高性能的发展，这对于探索最先进的科学和工业是不可缺的，同时，我们也正在推进相关基础技术和应用技术的开发，旨在提供可以随时随地使用，具有高稳定性的廉价激光器，向工业领域的创新努力。此次，滨松光子学（株）的开发团队采用了自有的先进半导体激光器作为泵浦高能脉冲激光器的光源，通过优化激光器件，以低价格实现前所未有的小型、高功率、高重复的激光设备。从限制成本和生产效率的角度来看，在我们之前放弃引入激光设备的领域，也期待会有更多的应用。功率激光器设备的结构 功率激光器设备外观

近日，来自山东师范大学的研究团队发表了《基于4.5 μm量子级联激光器的开放光路N2O气体检测系统研究》的研究成果。项目背景温室气体(Greenhouse Gas，GHG)的温室效应引发全球变暖和气候变化，这使得全球生态环境面临着很大的威胁。一氧化二氮（N2O）是全球六大GHG之一，相较于人们熟知的二氧化碳（CO2），N2O含量相对较低，但其全球变暖潜能值（Global Warming Potential, GWP）却是CO2的310倍左右，此外，它对臭氧（O3）也有一定的破坏作用。因此，有效探测大气中的N2O含量及其浓度变化趋势是至关重要的。N2O气体分子的吸收谱带主要集中在中红外区域，需要选用中红外光源对N2O气体进行探测。近年来，随着波长可调谐、可室温工作的量子级联激光器（Quantum Cascade Laser, QCL）的研发技术日益成熟，将其与激光吸收光谱技术相结合，可以实现对气体的高分辨率、高灵敏度探测，被广泛应用于气体遥感探测领域。目前，结合激光吸收光谱技术及紧凑型多通道气室（MGC），可实现对气体分子的快速响应，并达到较低的检测限，但系统为封闭式光学路径，限制了在户外环境中持续检测的便携性、实际适用性和空间覆盖范围。因此，开放式光学路径的设计，对于户外大范围环境中气体浓度的实时检测是十分必要的。系统搭建宁波海尔欣光电科技有限公司为该项目提供了HPQCL-Q&trade 标准量子级联激光发射头、QC750-Touch&trade 量子级联激光屏显驱动器、HPPD-M-B 前置放大制冷一体型碲镉汞（MCT）光电探测器。HPQCL-Q&trade 标准量子级联激光发射头其波数的可调谐范围是 2203.7 cm-1~2204.1 cm-1，最大输出光功率可达 50 mW。 为了充分发挥 QCL 的波长可调谐特性，结合激光器驱动，对 QCL 的工作温度以及电流进行设置，进而得到系统中所需要的激光器发射中心波长。QC750-Touch&trade 量子级联激光屏显驱动器结合触摸屏的显示功能，极大的方便了用户进行操作。 通过激光驱动器对注入激光器的电流进行更改，分析发射波数与驱动电流的相关性，调节驱动电流大小，分析在300 mA至360 mA的电流变化范围内，激光器波数随驱动电流变化的响应曲线。可以得到，随着电流逐渐增大，激光器的波数是逐渐减小的，对应的输出波长是逐渐增大的，其响应曲线可以表示为：y = -0.0271x + 2212.972。 同理，对激光器发射波数与温度的相关性进行分析，对温度进行调节，使激光器在30 °C至45 °C之间工作，分析激光器中心波数随温度变化的响应曲线。可以得到，随着温度逐渐升高，激光器的波数是逐渐减小的，对应的输出波长是逐渐增大的，其响应曲线可以表示为：y = -0.1716x + 2210.216。 综上所述，根据所选用的N2O吸收谱线波数为2203.7333cm-1，因此，所对应的QCL 中心电流和工作温度应分别设置为330 mA和36.0 °C。 HPPD-M-B 前置放大制冷一体型碲镉汞（MCT）光电探测器的感光面积为1×1 mm2，探测范围较为广泛，可达到 2μm-14μm，完全满足本系统探测的需求。由于探测器接收到的回波信号较为微弱，在对数据进行处理前，需要对信号进行放大，而该型号的探测器内部设计有前置放大器，以便后续可直接进行谐波解调和浓度反演等数据处理，同时也对系统的设计进行了简化。结论与创新点：使用该检测系统对大气中 N2O 浓度进行实时检测是可行的。(1) 选用QCL作为发射光源。QCL 具有波长调谐范围广、输出功率较高、并且可以在室温条件下工作的卓越性能。选取最优谱线位置为 2203.73 cm-1，能有效避免其他气体的干扰，实现对N2O气体分子的高灵敏度检测。(2) 为了避免MGC在远程或户外的大范围环境检测研究中的限制性，选用离轴抛物面反射镜和角反射镜，搭建了开放式光学路径的N2O气体检测系统。将大部分光学元件安装在一个光学平台上，实现了系统的紧凑、便携特性，并满足开放式、大范围环境监测的需求。(3) 经验证，当积分时间为1s时，N2O检测限为1.1 ppb，当积分时间延长至95 s时，系统达到最低检测限为0.14 ppb。结合实验结果，表征了系统的高精确度、高灵敏度、低检测限的性能，并且完全满足对大气环境中N2O浓度测量的标准。参考文献：张玉容，赵曰峰《基于4.5 μm量子级联激光器的开放光路 N2O气体检测系统研究》

p　　日前，全国光学和光子学标准技术委员会电子光学系统分技术委员会(SAC/TC103/SC6)秘书处发布关于征求《激光器和激光相关设备 光腔衰荡高反射率测量方法》等3项国家标准(征求意见稿)意见的通知。/pp　　根据通知内容，由全国光学和光子学标准技术委员会、电子光学系统分技术委员会(SAC/TC103/SC6)负责归口的《激光器和激光相关设备光腔衰荡高反射率测量方法》、《激光器和激光相关设备-标准光学元件-第1部分：紫外、可见和近红外光谱范围内的元件》、《激光器和激光相关设备-标准光学元件-第2部分：红外光谱范围内的元件》等3项国家标准已完成，现公开征求意见，截止日期11月17日。/pp　　span style="FONT-FAMILY: 楷体,楷体_GB2312, SimKai"近年来随着薄膜沉积技术的发展，光学薄膜，尤其是广泛应用于大型高功率激光装置、干涉引力波探测、激光陀螺、腔增强和腔衰荡光谱测量中的高反射薄膜的性能获得了极大的提高。激光光学系统中需要用到一些反射率很高(高于99.9%甚至99.99%)的反射元件，必须精确测量其反射率(测量重复性精度达到0.001%甚至更低)。/span/ppspan style="FONT-FAMILY: 楷体,楷体_GB2312, SimKai"　strong　/stronga title="" href="http://www.sac.gov.cn/gzfw/zqyj/201710/P020171023319778323438.rar" target="_blank"strong1.《激光器和激光相关设备 光腔衰荡高反射率测量方法》(征求意见稿)及编制说明/strong/a/span/pp　　本标准规定了激光光学元件反射率的测量方法，适用于激光光学元件高于99%的反射率的精确测量。/pp　　基于光腔衰荡技术，本标准的测试方法和流程可实现激光光学元件的高反射率(大于99%，理论上可达100%)测量，且精度高、重复性和再现性好、可靠性高。特别是大于99.9%的反射率的准确测量对发展高性能反射激光元件具有重要意义。/pp　　span style="FONT-FAMILY: 楷体,楷体_GB2312, SimKai"目前，激光应用领域越来越多，包括医疗、材料处理、信息技术和计量等等。激光器及激光系统一般要用到光学窗口、反射镜、分光镜和透镜等光学元件，为防止激光损伤，这些光学元件要禁得起激光系统高峰值功率/能量密度的技术要求，这对光学元件提出了更高的制造要求。另外，随着我国光学与光电子产业的迅猛发展，光学元件加工制造形成了相当的产业规模，在满足国内要求的同时，产品正在走向国际化。因此对此类光学元件标准化的要求越来越高。/span/pp　　a title="" href="http://www.sac.gov.cn/gzfw/zqyj/201710/P020171023319792051186.rar" target="_blank"strong2.《激光器和激光相关设备-标准光学元件-第1部分：紫外、可见和近红外光谱范围内的元件》(征求意见稿)及编制说明/strong/a/pp　　本部分规定了紫外、可见和近红外波段，波长从170nm至2100nm光谱范围内的激光光学元件的要求。适用于激光器和激光相关设备使用的标准光学元件，包括平面、平面球面和球面基片不包括镀膜后的光学元件，透镜和按规定设计由供应商提供的其它标准光学元件。/pp　　本部分的发布可以填补我国用于紫外、可见和近红外光谱范围标准激光光学元件要求的空白 同时，通过规定优先的尺寸和公差，来减少元件的种类，通过标准化的规定，去除贸易壁垒，并通过建立一致的订单标识使备件的供应更加便利。/pp　　a title="" href="http://www.sac.gov.cn/gzfw/zqyj/201710/P020171023319805778591.rar" target="_blank"strong3.《激光器和激光相关设备-标准光学元件-第2部分：红外光谱范围内的元件》(征求意见稿)及编制说明/strong/a/pp　　本部分规定了近红外到中红外波段，波长从2.1mm至15mm光谱范围内的激光光学元件的要求。适用于激光器和激光相关设备使用的标准光学元件，包括平面、平面球面和球面基片不包括镀膜后的光学元件，透镜和按规定设计由供应商提供的其它标准光学元件。/pp　　本部分的发布可以填补我国用于红外光谱范围标准激光光学元件要求的空白 同时，通过规定优先的尺寸和公差，来减少元件的种类，通过标准化的规定，去除贸易壁垒，并通过建立一致的订单标识使备件的供应更加便利。/pp　　联系地址：北京市海淀区车道沟十号院科技一号楼 兵器标准化所 电光系统分标委秘书处 010-68962373/pp　　邮编：100089/pp　　联系电话：010-6896 2373/pp　　传 真：010-6896 3156/pp　　邮件地址：a href="mailto:bzsbjw@126.com"bzsbjw@126.com/a/p

中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室、低维半导体材料与器件北京市重点实验室，在科技部、国家自然科学基金委及中科院等项目的支持下，经过努力探索，制备成功太赫兹量子级联激光器系列产品。　　太赫兹(THz)量子级联激光器是一种通过在半导体异质结构材料的导带中形成电子的受激光学跃迁而产生相干极化THz辐射的新型太赫兹光源。半导体材料科学重点实验室经过多年的基础研究和技术开发，目前推出系列太赫兹量子级联激光器产品。频率覆盖2.9~3.3 THz，工作温度10~90 K，功率5~120mW。　　太赫兹波介于中红外和微波之间，是一种安全的具有非离化特征的电磁波。它能够穿透大多数非导电材料同时又是许多分子光学吸收的特征指纹光谱范围。它的光子能量低(1 THz对应的能量大约4meV)，穿透生物组织时不会产生有害的光电离和破坏，在应用到对生物组织的活体检验时，比X光更具优势。它的波长比微波短，能够被用于更高分辨率成像。THz波在分子指纹探测、诊断成像、安全反恐、宽带通讯、天文研究等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。半导体研究所制备成功太赫兹量子级联激光器系列产品

光纤激光器被称为第三代激光器，其中“高性能稀土掺杂石英光纤”作为光纤激光器的“心脏”被列入国家战略性先进电子材料。其制备技术和产品长期被国外垄断，成为制约中国高功率光纤激光器发展的“卡脖子”元件。 　　从本世纪初，为解决我国高功率光纤激光器的稀土掺杂激光光纤“卡脖子”难题，为追赶我国在稀土掺杂激光光纤方面与国际先进水平差距，单元技术实验室胡丽丽研究员组织研究团队开展光纤研制工作和平台建设，创建了溶胶凝胶结合高温烧结制备稀土掺杂石英玻璃的新方法，阐明了稀土离子掺杂石英玻璃的发光、光学性能与局域结构的关联，并建立了相互作用的结构模型。提出了MCVD结合纳米溶胶液浸泡制备高掺杂离子分散性光纤预制棒的新思路，全面攻克了万瓦级光纤高效、高稳定性及高可靠性的技术难题，批量研制的光纤在GF和工业领域实现近万台套的规模应用。2011年以来胡丽丽研究员带领激光光纤研究团队持续开展稀土掺杂石英玻璃结构与性能的基础研究、大模场掺镱光子晶体光纤、大模场高功率包层结构稀土掺杂石英光纤、耐辐照稀土掺杂石英光纤等的研制，打破了国外对我国高功率激光光纤的垄断，解决了我国高功率光纤激光器关键元件国产化“卡脖子”问题。满足了高功率光纤激光器对核心元件的重大需求，为我国实现高功率光纤激光器最强“心脏”自主可控做出了重要贡献。 　　近十年来，胡丽丽研究员带领团队不断探索和总结，撰写了《稀土掺杂石英光纤及应用》著作，由上海科学技术出版社出版，并面向国内外发行。该著作获2022年度国家科学技术学术著作出版基金资助出版，获评2023年2月榜“世纪好书”。 　　作为第一完成人和突出贡献者，胡丽丽研究员获2016年上海市技术发明奖特等奖一项、2017年国家技术发明奖二等奖一项、2022年中国科学院杰出科技成就奖一项，获“全国三八红旗手”“上海市第十六届十大科技精英”等荣誉称号。

从左至右：利哈伊大学(Lehigh University)电气和计算机工程研究生Ji Chen、Liang Gao和Yuan Jin在利哈伊大学Sinclair大楼Sushil Kumar的太赫兹光电子(Terahertz Photonics)实验室　　美国研究人员展示了一种具有破记录输出功率的太赫兹半导体激光器，可用于各种形式的光谱学和其他应用。　　以强烈的单色辐射光束形式提供的光束是众所周知的技术，可以追溯到1960年推出的第一台激光器。依靠激光器来实现超快速和高容量的数据通信、制造、手术以及商业应用，例如条形码扫描仪、打印机，诸如CD和DVD的光盘，自动驾驶车辆，激光显示表演和动态艺术装置，当然还有光谱学。　　从红外到紫外的激光器被广泛使用，然而，利哈伊大学的Sushil Kumar团队研究了太赫兹激光器。太赫兹辐射位于微波和红外区域之间的电磁波谱区域。它们可穿透塑料、织物、纸板和其他材料，可用于检测各种化学品。太赫兹激光有可能用于非破坏性、非侵入性筛查和检测爆炸物，非法药物，检测药物化合物，筛查皮肤癌。　　为了真正有用，激光必须以非常精确的波长发射，这通常通过单模激光器中的“分布式反馈”来完成。太赫兹激光器必须是单模的。随着太赫兹辐射的传播，其中一部分会被大气湿度吸收，这是非常不利的。因此，一个用于光学传感和分析的太赫兹激光，不管距离多远，即使几米，也必须避免这个问题。现在，Kumar的团队一直致力于通过提高光功率输出来提高强度和亮度。　　他们研究了“表面发射”(而不是“边缘发射”)的单模激光器。已经找到了一种将周期性引入激光器光学腔的方法，使其能够从根本上辐射高质量的光束并提高辐射效率。该团队将这种方法称为“混合二阶和四阶布拉格光栅”。他们建议，他们的混合光栅不一定限于太赫兹激光器，而是可以用于增强几乎任何表面发射半导体激光器。　　该团队报告了单模太赫兹激光器的功率输出为170毫瓦的实验结果。这是迄今为止这种激光器中功能最强大的。因此他们证明，它们的混合光栅可以通过简单地改变激光腔内压印光栅的周期来精确控制发射波长。库马尔表示，1000毫瓦的设备应该很快成为可能，这可能会吸引制造商的眼球。　　原文请查阅：　　Power up: New lasers for spectroscopy　　SpectroscopyNOW.com　　Channels: Atomic　　Published: May 15, 2018 符斌供稿

激光痕量气体监测仪的新进展：性能和噪音分析（Recent progress in laser?based trace gas instruments: performance and noise analysis ，J. B. McManus M. S. Zahniser D. D. Nelson J. H. Shorter S. C. Herndon D. Jervis M. Agnese R. McGovern T. I. Yacovitch J. R. Roscioli， Appl. Phys. B (2015) 119:203–218）摘要我们用一些近来的数据回顾了使用中红外量子级联激光器，带间级联激光器和锑化二极管激光器的发展。这种监测仪主要用于高精度和高灵敏度测量大气中的痕量气体。在高性能软件的控制下，利用吸收光谱进行快速扫描，集成和高精度拟合。通过中红外波段，实现了出色的灵敏度。Aerodyne监测仪证明了在自然情况下痕量气体的测量精度达到1012级别，可实时测量CO2，CO，CH4，N2O和H2O的同位素。我们还描述信号处理方法，以识别和降低测量噪音。光谱信息分析的原理是将光谱加载到数组中并利用滤波片，傅立叶分析，多元拟合和成分分析进行处理。我们提供一个仪器噪音分析的实例，噪音是由电子信号与光干涉条纹混合形成。引言随着各种中红外单片固态激光器的问世，使用基于中红外激光仪器，对大气痕量气体的高精度测量已经成为常规，包括量子级联激光器（QCL），带间级联激光器（ICL）和基于锑化物的二极管激光器（TDL）。在3μm附近的波长范围内有缺口，但现在，设计人员有更多选择，在3μm附近的波长区域频率使用混合技术。在本文中，我们回顾Aerodyne Research，Inc.（下称ARI）公司使用中红外激光监测仪测量不同的痕量气体，并达到高灵敏度和/或高精度水平。这些仪器基于快速扫描和精确光谱拟合的直接吸收光谱，在高性能软件的控制下，在中红外波段，利用长光程，在减压情况下，通过热电冷却的激光和探测器实现出色的灵敏度。这里介绍了两种仪器：单激光仪器，光程长度最大为76 米；双激光仪器，光程长度最大为210 米。通过仔细选择波长，我们可以用单激光器同时测量多种气体。根据吸收率来说，仪器噪音在1 s的平均值为?5×106，可以测量1012级别大气中的气体]。这些仪器可以在多种环境中使用，包括实验室，偏远现场和移动平台（如卡车，轮船和飞机）。ARI公司仪器介绍及其性能一般来说，对于高浓度气体，几毫米的测量光程可能就足够了；但对于痕量气体来说，则需要数百米光程。Aerodyne气体监测仪仪器使用中红外快速频率扫描，直接吸收光谱并进行精确光谱拟合。仪器在减压池中利用较长吸收光程的新型红外激光源，对多种气态分子提供灵活而直接的高精度测量。光谱仪的基本配置比较简单：首先是激光源，然后是多反腔，最后是探测器。图1显示了这种装置。多反腔有确定的路径长度，符合标准的激光可以传输到检测器，对样品气体的测量基于比尔-兰伯特定律。在许多情况下，激光扫描气体出现多个吸收峰，从而测量多个不同气体。让两道或更多激光通过吸收室，或者使用单个检测器时分复用，可以测量更多的气体。Aerodyne监测仪尽可能使用反射光学元件，光学系统几乎没有色散。通过选择不同波段激光和激光驱动，选择峰值灵敏度不同的检测器来匹配，测量给定单一气体或一组气体。对于不同的测量目的，选择不同的吸收光程。一般多反腔的光程为7–76 米，一般使用宽带透镜；对于浓度非常低的气体，210米光程的窄带高反射率透镜可以提高灵敏度。仪器的优化在过去的几年中，我们持续对仪器进行了改进，比如使用了新型的电流驱动器，它提供了QCL高顺从电压情况下的低噪音电流。我们还设计了低噪音激光驱动和其他电子设备，降低整个系统的噪音。使得平均1s采样情况下，吸收噪音为?5×106，在均时100 s具有更高的精度，这相当于约5×10-7的最终吸收噪音。很多因素使得噪音超过检测器限度，特别是窄带电子噪音和光学干涉条纹。中红外激光微量气体仪器由Aerodyne Research，Inc.生产的操作软件“ TDLWintel”控制，让每条激光可以设置为时分复用。TDLWintel可控制监测仪的操作并实时处理数据。两种激光电流斜率由TDLWintel定义，然后对检测到的信号采样（16位A / D在?1-1.5 MHz下运行），同步求平均，基于HITRAN参数以及测得的温度和压力的曲线，与计算出的吸收值拟合，可以对多达16种气体混合比实时记录。数据可以以10 Hz采样频率记录，最大有效数据率由泵抽速和吸收池的大小决定。实验过程中一些情况，比如阀门开关或背景消减，也可由TDLWintel软件控制。我们展示了单激光（76米光程）和双激光监测仪（76米或者210米光程）的气体测量噪音结果（平均1s），分别在表1和表2中，测量噪音为以空气中的混合比表示，同时提供了噪音的不确定性。根据不同的吸收路径和测量情况，吸收噪音最佳的结果在1s内约为?5×106。仪器适用在各种环境中，无论是在实验室还是在野外实验中。野外现场包括偏远位置或在移动平台（例如轮船，卡车和飞机）上。我们在最近20年在许多野外现场使用过这些仪器。在过去的几年中，Aerodyne “移动实验室”已配备了多种气相仪器（单激光和双激光监测仪）以及测量颗粒物和较重的有机化合物配套仪器。如测量天然气中的甲烷排放，或者测量两种气体示踪物（例如，亚硝酸盐氧化物和乙炔），移动实验室可以直接开到附近，测量示踪气体以及甲烷。另外，通过测量乙烷（常见天然气的成分），我们可以区分来自天然气设施的甲烷和来自生物来源的甲烷。仪器的噪音分析 了解测量噪音源对于保持仪器性能水平至关重要，通常将重点放在最终的噪音源分析和讨论上，例如探测器噪音，激光噪音或散射噪音。其他噪音源，统称为“技术噪音”，可能来自光学和电子方面，并可能是噪音的主要来源。而在在短时间尺度上的噪音可能是更长的时间范围的漂移。不同的噪音源可能表现出不同的功率谱密度（PSD），例如检测器噪音，而Johnson噪音通常具有平坦的PSD（即白噪音），而激光噪音会表现出闪烁噪音（1 / f PSD）。噪音可能会在频谱中产生随机波动，或者它可能具有窄带频率。另一个复杂因素是信号处理算法对噪音信号的响应。对于Aerodyne，混合比噪音是对噪音信号，以及压力和温度变量中多元拟合的结果。了解和减少噪音的第一步是使用Allan–Werle方差工具分析混合比噪音图（方差作为平均时间的函数）以及功率谱，并将噪音划分类型。Allan-Werle方差工具是一种通用工具，可以评估短时噪音和平均时间极限。按类型划分噪音有助于指示其来源。三种常用噪音包括是暗噪音，轻噪音和成比例噪音。 “暗噪音”（即，在检测器被堵塞的情况下报告的混合比）包括检测器噪音，基本电子（Johnson）噪音以及其他多余的电子噪音。“轻噪音”（正常光照水平但吸收深度很小）包括所有暗噪音加激光噪音（1/f，即闪烁噪音和散射噪音），激光驱动电流噪音（产生幅度波动）和干涉条纹的变化。 “比例噪音”（吸收深度较大时看到的多余噪音）包括激光驱动电流噪音，压力和温度噪音以及峰值位置运动结合调谐率误差。频谱数组处理将频谱分解为许多部分，并显示出较多变量。通常应用于频谱数组的处理工具包括减去偏移量，平均值，拟合度，统计量度，变量[p]，[q]或这两者的傅立叶变换，相关性，和主成分分析。尽管有很多处理的实例，但是很难提出一个通用的分析方法，帮助我们了解所看到的一切。即使我们“解剖”光谱并找到大的干涉条纹，这不一定意味着干涉条纹是多余噪音的来源，比如干涉条纹不动或它们的频率太高而无法影响拟合。为了确定，我们需要确定导致多余的噪音因素，该因素的短期波动应与混合比的波动匹配。我们通过一个噪音分析的例子说明了分析过程。结果表明，多余噪音是由两种波的混合，即光学干涉条纹和电子信号混合导致的，产生的低频成分，明显影响混合比的测定，而任一单一波则对结果几乎没有影响。结论 我们对当前Aerodyne Research，Inc.生产的微量气体激光测量仪器进行了综述。提供了一组气体，以及同位素比的测量结果。仪器在性能上的改进包括降低了电源和激光驱动噪音。另外，制造工序变得更加精简。目前吸收噪音在1s内达到?5×106。然而，为获得最佳性能，仍然需要对噪音做进一步的探索。本文中的实例显示，多余噪音是由两种波的混合，由光学干涉条纹和电子信号混合导致。仪器的相关优势1. 持续对仪器的改进及噪音的分析，测量痕量气体的精度更高，测量气体达到ppt级别，甚至在10Hz的频率仍然保持极高的精度；2. 一次同时测量多种气体，消除了多台仪器测量时气体产生的系统误差并大大提高效率；3. 仪器适用于多种环境，满足实验室测量，野外远程测量和移动测量需求。 欲了解该产品的更多特点，欢迎咨询联系澳作生态仪器有限公司

近日，睿创研究院及睿创光子团队在中红外带间级联激光器（Interband cascade laser，ICL）的研究取得重要进展，相关团队实现了高性能、室温连续工作、多个激射波长的带间级联激光器系列，结合分子束外延技术，在InAs衬底上生长带间级联激光器材料，制备的窄脊器件室温激射波长接近4.6μm和5.2μm。目前大部分带间级联激光器生长在GaSb衬底上，而睿创团队报道的带间级联激光器生长在InAs衬底上，波导包层由InAs/AlSb超晶格和高掺杂的InAs层构成。相比于常见的GaSb基带间级联激光器，InAs基带间激光器在较长波长处（例如长于4.5μm）具有更低的阈值电流密度。（a）4.6μm波长、2mm腔长、10μm脊宽的器件在20℃-64℃之间连续激射光谱；（b）同一器件在20℃-64℃之间的连续电流-电压-功率曲线对于4.6μm波长的带间级联激光器，宽脊器件室温脉冲阈值电流密度为292A/cm²；2mm腔长和10μm脊宽的窄脊器件的连续工作温度可达64℃，室温输出功率为20mW；在相近波长处为目前报道的最高连续工作温度。对于5.2μm波长的带间级联激光器，宽脊器件室温脉冲阈值电流密度为306A/cm²；2mm腔长和10μm脊宽的窄脊器件最高连续工作温度为41℃，室温输出功率为10mW；其中阈值电流密度在类似波长为报道的最低水平。相关论文“High-temperature continuous-wave operation of InAs-based interband cascade laser”和“InAs-based interband cascade laser operating at 5.17 μm in continuous wave above room temperature”分别发表于Applied Physics Letters 和IEEE Photonics Technology Letters。（a）5.2μm波长、2mm腔长、10μm脊宽的器件在15℃-41℃之间连续激射光谱；（b）同一器件在15℃-41℃之间的连续电流-电压-功率曲线带间级联激光器是基于能带工程和量子力学产生激射，技术含量很高并且研制难点众多，是国家纳米和量子器件核心技术的重要体现，目前和量子级联激光器（Quantum cascade laser，QCL）并列为重要的中红外激光光源，在环境监测、工业控制、医疗诊断和自由空间通信等领域具有重要的应用价值和科学意义。带间级联激光器的原始概念由美国俄克拉荷马大学的杨瑞青教授（Rui Q. Yang）于1994年首次提出，目前基本上都采用近晶格匹配的InAs/GaSb/AlSb三五族材料体系来构造，有源区大多为InAs/GaInSb二类量子阱，其能力可覆盖从中红外到远红外的波长范围。带间级联激光器结合了传统半导体二级管激光器和量子级联激光器的优势，与同样能覆盖中红外波段的量子级联激光器相比，具有更低的阈值功耗密度和阈值电流密度，这种极低功耗的优势在一些需要便携和电池供电设备的应用中显得非常重要。目前全球带间级联激光器市场仍由国外企业占据主导地位，国内仍处于产业发展的初始阶段。本文报道的这两项工作标志着睿创光子在带间级联激光器的外延设计和器件制备等多个方面同时达到了较高的技术水平，成为掌握高性能带间级联激光器技术的企业。该工作也为后续单模可调谐的DFB带间级联激光器的研发和量产打下了坚实的基础。睿创光子（无锡）技术有限公司是烟台睿创微纳技术股份有限公司的控股子公司，聚焦III-V族光电子器件、硅基光电子器件等光子芯片技术研发与产业化。

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。

本文作者：清华大学张书练教授1. 激光干涉仪的发展史做衣量身、体检量高都由尺子完成，这些日常的尺子的刻度是毫米。机械零件加工和检验都要用尺子，在机械制造企业，卡尺、千分尺随处可见，其精确度是0.1 μm，1 μm。1887年迈克尔逊（Michelson）和莫雷（Morley）研究以太[1]是否存在，使用了光。他们以光波长作尺子刻度测量了水平面和垂直面的光速之差，第一次否定了以太的存在。他们利用的是光的干涉现象，这就是光学干涉仪的诞生。注[1]：根据古代和中世纪科学，以太被称为第五元素，是填充地球球体上方宇宙区域的物质。以太的概念在一些理论中被用来解释一些自然现象，例如光和重力的传播。19世纪末，物理学家假设以太渗透到整个空间，以太是光在真空中传播的介质，但是在迈克尔逊-莫利实验中没有发现这种介质存在的证据，这个结果被解释为没有光以太存在。1961年研究人员发明了氦氖激光器，开始用氦氖激光器作为迈克尔逊干涉仪的光源，从而诞生了激光干涉仪。图1是迈克尔逊干涉仪简图。迈克尔逊干涉仪是普通物理的基本实验之一。但今天在科学研究和工业中应用的激光干涉仪出于迈克尔逊，但性能远远胜于迈克尔逊。图1 迈克尔逊干涉仪简图基本上，激光干涉仪都使用氦氖激光器的632.8 nm波长的光，橙红灿烂的光束射向远方，发散角可以小到0.1 mrad，光束截面的光斑均匀。氦氖激光器还可输出绿光、黄光、红外光，但只有632.8 nm波长的光适合作激光干涉仪的光源。其它类型的激光器，如半导体（LD）、固体激光器等的相干等性能都远不及氦氖激光器，研究人员多有尝试，但都没有成功。激光干涉仪有很多应用，但本质都是测量中学课本讲的“位移”，诸多应用都是“位移”的延伸和转化。激光干涉仪有两个主流类型：单频激光干涉仪和双频激光干涉仪。单频干涉仪能做的双频激光干涉仪都能做，但双频干涉仪能做的单频干涉仪不见得能做。由于历史、技术和商业原因，两种干涉仪都有着广泛应用。但在光刻机上，双频激光干涉仪独占市场。单频干涉仪不需要对市场上的氦氖激光器进行改造，直接可用。但双频激光干涉仪用的激光器需要附加技术使其产生双频（两个频率）。历史上，双频激光干涉仪测量位移的速度不及单频激光干涉仪，自发明了双折射-塞曼双频激光器，双频激光干涉仪的测量速度也达到每秒几米，与单频激光器看齐了。按产生双频的方法，双频激光干涉仪分为塞曼双频激光（国外）干涉仪和双折射-塞曼双频激光（国内）干涉仪。现在干涉仪的指标：最小可感知1 nm（十亿分之1 m），可以测量百米长的零件，且测量70 m长的导轨误差仅为几微米。2. 测量位移的干涉仪和测量表面的干涉仪？有几个概念的定义比较混乱（特别是有些研究发展趋势的报告），需要注意。一是“激光测距”和“激光测位移”没有界定，资料往往鹿马不分。二是不少资料所说“激光干涉仪”实际上包含两种不同的仪器，一种是测量面型（元件表面）的激光干涉仪，一种是测量位移（长度）的激光干涉仪。如海关的统计和一些年度报告往往混在一起。激光测距机发出的激光束是一个持续时间纳秒的光脉冲，利用光脉冲达到目标和返回的时间之半乘以光速得到距离，完全和光的干涉无关。尽管激光波面干涉仪和测量位移（长度）的干涉仪都是利用光干涉现象，但仪器的设计、光路结构、探测方式、应用场合几乎没有共同之处。激光波面干涉仪能够测量光学元件表面的形貌，光束直径要覆盖被测零件，在整个零件表面形成系列干涉条纹，根据测量条纹的亮度（也即相位）算出表面的形貌，其光束口径、零件直径可达百毫米；另一种则是测量位移（长度）干涉仪，光干涉发生在直径几毫米光路上，表现为只有光电探测器（眼睛）正对着射来的光线才能“看”到光强度的波动，由波动的整次数和（不足半波长的）小数算出被测件的位移。 3. 双频激光干涉仪的原理和构成当图1的可动反射镜有位移时，光电探测器光敏面会感受到的光强度正弦变化，动镜移动半个波长，光强变化一个周期。光电探测器将光强变化转化为电信号。如探测到电信号变化了一个周期，我们就知道动镜移动了半个波长。计出总周期数测得动镜的位移。 （1）式中：λ为激光波长，N 为电脉冲总数。今天的激光干涉仪使用632.8 nm波长的激光束，半波长即316.4 nm。动镜安装在被测目标上与目标一起位移，如光刻机的机台，机床的动板上。为了提高分辨力，半波长的正弦信号被细分，变成1 nm甚至0.1 nm的电脉冲，可逆计数器计算出总脉冲数，再由计算机计算出位移量S。也常用下式表示动镜的位移， （2）其中∆f为目标运动速度为V时的多普勒频移。式（1）和（2）是等价的，可以互相推导推出来，仅是表方式的不同。图2是今天的双频激光干涉仪框图。它由7个部分构成。图2 双频激光干涉仪原理框图（1） 双频氦氖激光器氦氖激光器上有磁体。磁体为筒形，激光器上加的是纵向磁场，称为纵向塞曼双频激光器。四分之一波长（λ/4）片把激光器输出的左旋和右旋光变成偏振态互相垂直的线偏振光。前文所说的双折射-塞曼双频激光器则是在激光器内置入双折射元件（图内未画出），并加图2所示的磁条。双折射元件使激光器形成双频，横向磁场消除两个频率之间的耦合。双折射-塞曼双频激光干涉仪不需使用四分之一波长片。双频激光器是双频激光干涉仪的核心，很大程度上，它的性能决定激光干涉仪的性能，要求波长（频率）精度高，功率大，寿命长，双频间隔（频差）大且稳定，偏振状态稳定，两频率之间不偏振耦合。这一问题的解决是作者较突出的贡献之一。（2） 频率稳定单元它的作用是保证波长（频率）这把尺子的精确性，达到10-8甚至10-9，即4.74×1014的激光频率长期的变化仅1 MHz左右。（3） 扩束准直器实际上是一个倒装的望远镜，防止光束发散。要求激光出射80 m，光束光斑直径仍然在10 mm之内。（4） 测量干涉光路测量干涉光路包括：从分光镜向右直到可动反射镜（实际是个角锥棱镜），向下到光电探测器2。可动反射镜装在被测目标上（如光刻机工作台上的反射镜），目标的移动产生激光束的频移Δf，Δf和目标速度成正比，积分就是目标走过的距离（位移或长度）。积分由信号处理单元完成。（5） 参考光路参考光路由分光镜-偏振片-光电探测器1实现，参考光路中没有任何元件移动，它测得的位移是“假位移”真噪声。噪声来自环境的扰动。信号处理单元从干涉光路的位移中扣除这一噪声。（6） 温度和空气折射率补偿单元干涉仪测量的目标位移可能长达百米，空气折射率（及改变）和长度的乘积成为激光干涉仪的最主要误差来源之一。用传感器测出温度、气压、湿度，信号处理单元计算出空气折射率引入的假位移，并从结果中扣除。（7）信号处理单元光电探测器1和2，分别把信号f1-(f2±∆f)和f1-f2的光束转化为电信号，±∆f是可动反射镜位移时因多普勒效应产生的附加频率，正负号表示位移的方向。电信号经放大器、整形器后进入减法器相减，输出成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后，由电子计算机进行当量换算即可得出可动反射镜的位移量。环境温度，气压，湿度引入的折射率变化（假位移）送入计算机计算，扣除他们的影响。最后显示。相当多的应用要求计算机和应用系统通讯，实现对加工过程的闭环控制。4. 激光干涉仪的应用一般说来，激光干涉仪的主要用途是测量目标的运动状态，即目标的线性位移大小、旋转角度（滚转、俯仰和偏摆）、直线度、垂直度、两个目标在运动的平行性（度）、平面度等。无论光刻机的机台，还是数控机床的导轨（包括激光加工机床），不论是飞行物，还是静止物的热膨胀、变形，一旦需要高精度，都要用激光干涉仪测量，得到目标的运动状态。运动状态用由多个参数给出。以光刻机两维运动中的一个方向运动时为例，位移（走过的长度）、机台位移过程中的偏 转（ 角 ）、俯仰 （ 角 ）和滚转（角）都需要测出。很多类型的设备需要测量，如各类机床、三坐标测量机、机器人、3D打印设备、自动化设备、线性位移平台、精密机械设备、精密检测仪器等领域的线性测量。图3（a）（b）（c）（d）（e）是几个应用的例子。美国LIGO激光干涉仪实验室宣称首次直接测量到了引力波(2016)，使用的仪器是激光干涉仪，单程臂长4 km。见图4。图3 激光干涉仪几个应用的例子来源：(a)(b)(c)由北京镭测科技有限公司提供，(d)(e)来自深圳市中图仪器股份有限公司网页图4 LIGO激光干涉仪来源：https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20150731c 5. 双频激光干涉仪发展存在的问题（1）国内外单频和双频激光干涉仪的进展及问题多年来，国内外在单频和双频激光干涉仪方面进步不大，特例是双折射-塞曼双频激光器的发明。由于从国外购买的激光器不能产生大间隔的双频光，原有国内双频激光干涉仪的供应商基本停产。以前作为基础研究的双折射-塞曼双频激光器被推到前台。双频激光器是干涉仪的核心技术，走在了世界前端，也解决了国内无源的重大难题。北京镭测科技有限公司的开发、纠错，终于使双折射-塞曼双频激光干涉仪实现产品化，进入先进制造全行业，特别是光刻机。北京镭测科技有限公司双折射-塞曼双频激光器达到指标：频率间隔可在1 ~ 30 MHz之间选择，功率可达1 mW。 频率差与激光功率之间没有相互影响，没有塞曼效应的双频激光器高功率和大频率差不能兼得的缺点。尽管取得进展，但氦氖激光器的制造工艺等是个系统性技术问题，需要全面改善。特别是，国外双频激光干涉仪的几家企业的激光器都是自产自用，不对外销售，因此，我们必须自己解决问题。（2）业界往往忽略干涉仪的非线性误差很长时期以来，业界认为单频干涉仪没有非线性误差。德国联邦物理技术研究院(PTB) 经严格测试发现，单频干涉仪也存在几纳米的非线性误差，甚至大于10 nm。塞曼效应的双频干涉仪也有非线性误差，也是无法消除。对此干涉仪测量误差，大多使用者是不知情的。到目前，中国计量科学院的测试得出，北京镭测科技生产的双频激光干涉仪的非线性误差在1 nm以下。建议把中国计量科学院的仪器批准为国家标准，并和德国、美国计量院作比对。非线性误差发生在半个波长的位移内，即使量程很小也照样存在。图5 中国计量科学研究院：镭测LH3000双频激光干涉仪在进行测长比对6. 双频激光干涉仪的未来挑战本文作者从事研究双折射-塞曼双频激光器起步到成批生产双折射-塞曼双频激光干涉仪，历经近40年，建议加强以下研究。（1）高测速制造业的发展很快，精密数控机床运动速度已达几m/s，有特殊应用提出达到10 m/s的要求。目前单频激光的测量速度还没有超过5 m/s。双折射-塞曼双频激光干涉仪的测速也处于这一水平，但其频率差的实验已经达到几十MHz，有待信号处理技术的跟进发展，实现10 m/s以上的测量速度。（2）皮米干涉仪市场上的干涉仪基本都标称分辨力1 nm，也有0.1 nm的广告。需要发展皮米分辨力的激光干涉仪以满足对原子、病毒尺度上的观测要求。（3）溯源前文已经提到，小于半波长的位移是把正弦波动信号电子细分得到标称的1 nm，和真实的1 nm相差多少？没有人知道，所以需要建立纳米、皮米的标准。作者曾做过初步努力，达到10 nm的纯光学信号，还需做长期艰苦的研究。（4）提高氦氖激光器寿命在未来很长一段时间，氦氖激光器仍然是激光干涉仪最好的光源，但其漏气的特点导致其使用寿命有限，替换寿命终结的氦氖激光器导致光刻机停机，会带来巨大经济损失。因此，延长氦氖激光器寿命十分有必要。没有测量就没有科学技术，没有精密测量就没有当今的先进制造，为此作者最近出版了题名《不创新我何用，不应用我何为：你所没有见过的激光精密测量仪器》的书籍，书的主标题似是铭志抒怀，而实际内容是一本地道的学术专著，书籍内容为作者的课题组近40年做出的创新成果总结。作者简介张书练，清华大学教授，博导。曾任清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室主任，清华大学光学工程研究所所长，主要研究方向为激光技术与精密测量，致力于激光器特性的研究和把这些特性应用于精密测量，是国内外正交偏振激光精密测量领域的的主要创始人。

美国政府顾问小组近日提议，美国需要建造一种能够将电子在材料反应和化学反应中的活动轨迹成像的新型X射线激光器。　　能源部下属的基础能源科学咨询委员会(BESAC)已经驳回了提交的关于未来X射线光源的4份提案，取而代之的是一个更具雄心的计划。BESAC表示，如果各方面力量能够齐心协力，该方案是完全可以实现的。　　麻省理工学院加速器物理学家、曾在BESAC研究该课题的William Barletta认为：委员会所期望的机器将会是一种&ldquo 自由电子激光器&rdquo ，可以利用磁力来扭动电子光束，从而发射出连续的X射线。至于这种新型激光器的规格，委员会建议它应能提供快速的X射线脉冲重复率以及较广的X射线光子能量范围。　　这一想法与美国劳伦斯伯克利国家实验室的一项提案不谋而合。劳伦斯伯克利国家实验室提议，&ldquo 下一代光源&rdquo (NGLS)这种自由电子激光器使用一种受超导磁体加速的电子光束。该提案已通过能源部审核，但还须经过国会的详细审查。　　但是NGLS所能提供的能量范围还未达到顾问小组的期望，而与斯坦福线性加速器中心的相应提案范围相吻合。该中心提议对线性相干光源(LCLS)系统进行升级&mdash &mdash 这是一种已投入运行的自由电子激光器。　　Barletta说，顾问小组认为,无论是NGLS项目还是待升级的LCLS项目都各有优点和缺点，两个实验室需要通力协作，寻求共识，取人之长，补己之短。　　该顾问小组也听取了支持&ldquo 终极储存环&rdquo 的声音。终极储存环已经在一些美国的国家实验室中使用，其功能与X射线同步加速器相似，能够发射连续的X射线，并且可以循环利用光束，以达到节能效果。　　Barletta认为研究终极储存环提案最关键的一点是：能源部应当仔细评估并认真审查升级已有同步加速器的方案，以确认将经费花在建造新型终极储存环上是否更值得。另外，瑞典、巴西、日本等国家正在建造比美国更先进的同步加速器。

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。

中红外QCL成像有助于光谱学家分析组织切片和进行药物分析，它还能进行呼气分析实现早期疾病诊断，并支持实时无创血糖监测。”昕虹光电为山西大学研究组呼气氨气检测项目，提供了来自瑞士Alpes Lasers的QCL光源以及配套的专用激光发射头、温控+电流驱动器。我们的应用科学家在QCL应用于医疗呼气检测方面，有丰富的学术研究经验。若您有相关需求，欢迎与我们联系！原文标题：Quantum Cascade Lasers Boost Life Science Research作者：PANAGIOTIS GEORGIADIS, OLIVIER LANDRY, ALEX KENIC, and MILTIADIS VASILEIADIS (Alpes Lasers)来源：Photonics.com编译：昕甬智测实验室1971 年 10 月，Rudolf F. Kazarinov和Robert A. Suris 提出了“在具有超晶格的半导体中放大电磁波的可能性”[1]。科学界花了20多年的时间来构建利用这一原理的器件。1994年，贝尔实验室的Jérôme Faist及其同事发表了基于子带间跃迁（量子阱之间导带中的激发态）的激光源工作原型和相关研究结果[2]。Faist后来与同事在瑞士共同创立了Alpes Lasers。图一 量子级联激光器 (QCL) 的典型光束轮廓（来源：Alpes Lasers）自量子级联激光（QCL）光源商业化以来，已经过去了20 多年。使用热电冷却在室温下运行的QCL现在已无处不在。这些激光器开创了中远红外光谱的新时代。近年来，QCL在稳定性、功率、光谱范围、可调性和整体性能方面取得了许多进步，其成本也逐渐被工业界所接受。此外，带间级联激光器（ICL）是另一种中红外激光器，与QCL一样，ICL中的每个注入载流子都会产生多个光子。ICL 的工作原理是基于II型异质结和级联带间跃迁（电子带之间的转移），不同于QCL的子带间跃迁。ICL在较短波长上是QCL的有效补充，通常在3.5 µm波长范围内，ICL的性能优于QCL。中远红外光谱的发展为光谱学领域创造了各种各样的应用场景，一些利用相干中红外光源的新应用得以在医学和工业中开展，并获得许多研究成果。就像1970年代初期傅里叶变换红外（FTIR）光谱设备取代色散光谱仪一样，QCL可以预见地正在逐渐取代笨重的FTIR设备。在QCL的相关研究中受益匪浅的几个关键领域，包括生命科学中的生物学、病理学和毒理学，以及医疗保健和制药行业。随着其激光功率的增加（允许穿透更厚的样品）、稳定性和紧凑性（允许它们部署在临床环境中），基于QCL的光谱分析，正迅速成为医学研究的先进技术。中远红外激光用于生命科学和医学领域的几个例子，像是薄组织切片的中红外成像、基于激光光谱学的液体或气体样品分析、生物标志物监测、病原体检测、药物开发分析等应用。QCL 使各种各样的医疗应用得到了改进，从样本的实验室分析到改变游戏规则的常规医疗程序，例如无创血糖监测。尽管取得了很大进展，目前生物医学界尚未充分发挥QCL技术的潜力。医学影像红外成像已经为医学领域带来重大进步。多光谱和高光谱成像技术已被证明对生物分子研究和组织病理学非常有效，并且在测试时间和准确性方面，使用成像来促进医疗干预变得越来越重要。 目前，我们已经有了成熟的无创红外成像技术，利用红外光谱分析组织和细胞。这些技术当中的一部分使用背反射光（主动）构建图像，其他的方法依赖检测组织由于其温度而发射的红外辐射（被动），由红外探测器感测热发射并产生组织中发射分布的热图。此外，在红外中使用标记成像（labeled imaging）[3]已经被视为一种成熟的常规技术存在[4]。电磁频谱中红外波段的使用在临床诊断中的应用范围广泛，从高分辨率和深度分辨的组织可视化，到温度变化（热成像）评估。此外，中红外光谱体外映射在组织和细胞分类的应用取得了显着进展——例如，用于识别癌细胞[5]。然而，在使用中红外光子学进行此类分析，尤其是无标记细胞和组织分类方面，还存在巨大的潜力[6]。大多数商用中红外成像设备通常受限于有限的波长能力（使用单模激光源），或是低功率导致较低的信噪比（如FTIR显微镜）。每种设备通常都是为特定的医学成像应用量身定制的，因此只针对某特定光谱范围做开发。相较之下，来自维也纳工业大学的Andreas Schwaighofer及团队在2017的一篇论文《Quantum cascade lasers (QCLs) in biomedical spectroscopy》证明QCL具有明显的优势：QCL可以针对特定目的进行定制，或者同时满足多种需求。最近的研究计划旨在通过进一步扩展QCL的能力，以开发功能更全面的中红外成像设备。研发人员希望同时达到FTIR设备的光谱可调性和基于多激光器外腔（External-Cavity）配置的更强信号激光源，在外腔配置中,组合使用了多达六个宽增益激光器。这些器件在可调谐性、精度和功率方面为中红外激光源提供了前所未有的能力。呼气分析分析呼出空气的科学，也称为呼吸组学（breathomics）或呼气组学（exhalomics），正在迅速成为医生和研究人员的主流应用。中红外激光特别适合这一新兴领域，因为人呼吸中存在的大多数挥发性有机分子在中红外光谱中具有明显的吸收指纹。针对呼气中的挥发性有机化合物（VOCs）以及特定气体（例如甲烷、丙酮、CO2 和其他受关注的化合物），可以使用激光光谱分析技术对其进行浓度检测。这些物质是生物标志物，可以向医生传达有关个人健康的大量信息。例如：VOC成分可以揭示炎症，丙酮水平可以提供关于一个人的代谢活动的信息（常用于肥胖研究和监测代谢紊乱），高水平的一氧化氮可能表明哮喘，而一氧化碳水平可以作为一种氧化应激或呼吸系统疾病的生物标志物。在过去的10年中，几个研究小组一直在探索呼吸组学，某些医疗初创公司正在利用QCL和 ICL分布式反馈（DFB）激光源，对人或动物呼吸进行气体传感。新的激光源例如QCL阵列和光束合并的DFB QCL等技术，将使多组分的呼吸分析成为可能，为医生提供更强大的诊疗工具。图二 基于QCL的呼气检测仪器液体生物标志物分析尽管QCL光谱通常与气体传感有关，但QCL也是分析液体的重要工具。由于拥有更高的激光功率，QCL允许分析更厚的样品和更复杂的基质，使其适用于生命科学中的许多应用。此类应用之一是基于激光的血液分析，它最近受到了很多媒体的关注，特别是在实时无创监测血糖水平方面。这种开创性的方法使用中红外激光源，可以实时经过皮肤透过光谱来监测葡萄糖。这种方法可以减轻糖尿病患者因使用针头定期检查血糖水平而带来的压力。此外，中红外集成光子学进一步改进了现有的小型化、可穿戴设备，能够执行连续测量，为医生提供可用于个性化治疗的数据。中红外激光在血液分析中的一项新用途是检测神经退行性疾病，例如阿尔茨海默氏症和帕金森氏症。通过专注于可在中红外光谱中检测到的一些特定生物标志物[8]，医生可以使用 QCL光谱分析技术，远在可识别的症状出现之前，提前8年预测疾病的未来发作。起始于疾病早期的药物治疗会更有效，因此这些信息很有价值，甚至可能促进疾病的预防。尿液是另一种可以分析生物标志物的液体生物样本（图三）。因为样本易于获取且相关检测的实验室技术丰富，尿液分析被广泛使用，最重要的是，尿液中存在的细胞成分、蛋白质和各种分泌物反映了一个人的代谢和病理生理状态（图四）。医生要求进行尿液分析的原因有很多，包括进行常规医学评估、评估特定症状、诊断医疗状况（例如尿路感染和未控制的糖尿病）以及监测疾病进展和对治疗的反应（例如肾脏疾病和糖尿病）。图三 QuantaRed Technologies基于QCL的尿液分析仪，具有两个由Alpes Lasers开发的组合DFB QCL。该分析仪是在NUTRISHIELD项目中开发的，获得了欧盟地平线2020研究和创新计划的资助（来源：QuantaRed Technologies GmbH）图四 Alpes Lasers开发的DFB QCL合路器。该组件已成功集成到尿液分析仪和基于光子学的检测模块中，用于分析水质，特别是用于检测细菌。该模块是在WaterSpy项目中开发，获得了欧盟地平线2020研究和创新计划的资助（来源：Alpes Lasers）使用QCL的分析设备能够根据中红外光谱分析结果直接量化尿液中的主要成分，如尿素和肌酐。QCL技术还可以检测酮类、葡萄糖和蛋白质。这些生物标志物的浓度升高可以作为各种疾病和病症的早期指标（图五）。图五 多激光系统中光束组合器的各种元件，包括高热负荷外壳中的 QCL(L和R)、反射镜 (M)、窗口 (W)、二向色分束器 (P) 和调节螺钉(x) 和 (y)（来源：Alpes Lasers）结语随着QCL领域的高速发展，包括多激光器外腔、超宽谱可调设备，或者在不久的将来，新开发的QCL频率梳的应用，可以期待的是，QCL将为生命科学领域带来更大规模的进展。参考文献1. R.F. Kazarinov and R.A. Suris (1971). Possible amplification of electromagnetic waves in a semiconductor with a superlattice. Sov Phys — Semicond, Vol. 5. pp. 707-709.2. J. Faist et al. (1994). Quantum cascade laser. Science, Vol. 264, Issue 5158, pp. 553-556.3. D.M. Gilmore et al. (2013). Effective low-dose escalation of indocyanine green for near-infrared fluorescent sentinel lymph node mapping in melanoma. Ann Surg Oncol, Vol. 20, Issue 7, pp. 2357-2363.4. Quest Medical Imaging (2021). Applications of the Quest Spectrum fluorescence imaging system, www.quest-mi.com/promising-applications.5. S. Pahlow et al. (2020). Application of vibrational spectroscopy and imaging to point-of-care medicine: a review. Appl Spectrosc, Vol. 72, pp. 52-84.6. S. Mittal and R. Bhargava (2019). A comparison of mid-infrared spectral regions on accuracy of tissue classification. Analyst, Vol. 144, Issue 8, pp. 2635-2642, www.doi.org/10.1039/c8an01782d.7. A. Schwaighofer et al. (2017). Quantum cascade lasers (QCLs) in biomedical spectroscopy. Chem Soc Rev, Vol. 46, Issue 7, pp. 5903-5924.8. A. Nabers et al. (2018). Amyloid blood biomarker detects Alzheimer’s disease. EMBO Mol Med, Vol. 10, Issue 5, p. e8763, www.doi.org/10.15252/emmm.201708763.昕甬智测实验室隶属于宁波海尔欣光电科技有限公司，专注于中远红外激光光谱检测技术（QCL/ICL+TDLAS），致力推动激光光谱技术的产业化应用，以激光之精，见世界之美。

近日，在德国柏林最近的一次网络研讨会上，PicoQuant向大家展示了其最新的激光创新良心之作：独立的、全电脑控制的激光模块Prima。PicoQuant公司的产品经理Guillaume Delpont阐述了这款激光器的设计初衷：“许多科研人员在工作中都面临着同样的困难，那就是他们需要多个激发波长来研究他们的待测样品，而购买多个激光器又会变得非常昂贵。PicoQuant公司为了给科研人员面临的共同挑战提供解决方案，最终依托自身在激光开发方面长达25年的专业背景和研发实力，创造了Prima—— 一种经济实惠、紧凑的激光模块，可以发出红色、绿色和蓝色的脉冲激光。”Prima——三色皮秒脉冲激光器Prima是一款独立、紧凑、价格合理的激光模块，提供3个独立的发射波长，可以在皮秒脉冲和连续波(CW)模式下工作。皮秒脉冲可以由Prima模块的内部时钟触发，也支持高达200MHz的外部触发。该模块采用全电脑控制，操作非常简单：通过USB端口将Prima连接到PC端，所有操作参数的更改都可以通过一个方便的软件接口完成。 红、绿、蓝：三种最有用的波长Prima可以提供三种波长的激光：640nm、515nm和450 nm。每种颜色都可以单独输出，每次输出一个波长。 这三种颜色是材料科学、化学和生命科学中最常用的3种波长，广泛应用于光谱学或显微镜应用的常规激发，进行种类多样待测样品的研究，其中包括新型纳米材料、量子点、分子和荧光团。 Prima是一款几近完美的工具：当涉及到日常实验室任务时，能够满足您的大多数需求，如寿命或量子产率测量，光致发光和荧光测量等。 灵活多样的工作模式：脉冲、连续和快速开关模式在进行时间分辨或稳态测量的时候，无论您需要哪种类型的操作模式，Prima的灵活性都可以轻松实现。Prima同时也支持快速连续开关功能。脉冲模式支持内触发和外触发，内触发的重频率范围从100 Hz至200 MHz可调，外触发支持的重复频率范围从单次脉冲至200 MHz。 每个波长的平均输出功率高达5mW。在CW工作模式下，每个波长可以达到更高的平均输出功率(高达50 mW)。在CW工作模式下，进行ON和OFF状态切换的上升/下降时间小于3 ns。 恒定的重复频率可以通过内部触发来进行设置，Burst工作模式也可以由合适的外部触发源实现触发(例如，PicoQuant的Sepia PDL 828的振荡器模块)。您甚至可以将Prima与其他激光模块组合使用，从而实现更为复杂的激发模式，不仅包括Burst模式，还包括脉冲交替激发(PIE)或交替激光激发(ALEX)。 这使得Prima成为一个通用的工具，可以在许多环境中使用。 易于使用作为一个独立的激光模块，Prima不需要任何其他外部激光驱动对齐进行控制。其参数设置和操作通过一个基于成熟的Sepia的图形用户界面软件进行全电脑控制。

据物理学家组织网11月6日(北京时间)报道，美国西北大学的一个研究小组开发出一种只有一个病毒大小的超小型激光器。这种激光器具有体积小、室温下即可工作的特点，能够很容易地集成到硅基光子器件、全光电路和纳米生物传感器上，具有极为广阔的应用前景。相关论文发表在近日出版的《纳米快报》杂志上。　　光子和电子元件的尺寸对超快数据处理和超高密度信息存储至关重要，因此，小型化是此类设备未来发展所必须攻克的一个难关。负责这项研究的纳米技术专家，西北大学温伯格学院艺术与科学学院以及麦考密克工程和应用科学学院材料学教授泰瑞奥多姆说，纳米尺度上的相干光源不仅能够用来对小尺度的物理化学现象进行探索和分析，同时也能够帮助科学家打破光的衍射极限。　　奥多姆称，能够制造出这种纳米激光器，都要归功于一种3D蝴蝶结式的纳米金属空腔结构。这种激光腔的几何结构能够产生表面等离子激元，这是一种在金属介质界面上激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡，具有近场增强、表面受限、短波长等特性，在纳米光子学的研究中扮演着重要角色。当产生表面等离子激元后，由于金属表面电子的集体震荡，因而能够最大限度的突破阈值限制，让所有光子都以激光形式进行发射，不浪费任何光子。这种蝴蝶结状结构的使用与先前类似的设备相比有两个明显的好处：第一，由于其电磁特性和纳米尺寸的体积，这种结构清晰可辨认。第二，由于其离散结构，损失可以减到最少。　　此外，研究人员还发现，当这些结构排列成为一个阵列时，3D蝴蝶结谐振器能够根据晶格的参数发射出带有特定角度的光。