单频量子级联激光器

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

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。

2016年5月18日至20日滨松公司出展了国际光学与光电技术展（OPTICS & PHOTONICS International Exhibition，OPIE2016）。OPIE拥有激光、红外紫外应用技术、医疗和成像、宇宙天文等7个专业展厅，是目前日本国内规模最大的光学技术展会。展会期间，在激光展区举办了第8届激光学会“产业奖”的授奖仪式。激光学会“产业奖”包含“优秀奖”、“奖励奖”和“贡献奖”，是针对学会会员单位开发的优秀产品而设立的，获奖产品和技术须应用于激光或光产业相关领域，并对社会的发展作出杰出贡献。经过几轮严格的专家评审，滨松公司的DFB型量子级联激光器L12000系列最终脱颖而出，凭借良好的产品优势和应用价值，被授予了激光学会产业“优秀奖”。量子级联激光器(QCL)是一种发射波长在中红外波段 (4 um 到10 um) 的半导体激光器。由于它的发光原理和常规LD完全不同，并且为环境监控的痕量气体分析等中红外应用提供了创新性解决方案，因此也是日益受到关注。滨松QCL产品在气体分析的应用中，具有实时检测、快速响应、高精度和高分辨率的优点。搭配相应的红外探测器，则可准确高效地实现气体的分析测量。在以下视频中，展示了一套滨松QCL、红外探测器等其它元件组成的测量系统，可以了解QCL系统在对火柴燃烧的气体、汽车尾气以及土壤散发的气体进行分析的应用实例。

近日，由上海微系统所信息功能材料国家重点实验室曹俊诚研究员负责的太赫兹（THz）课题组自主成功研制了激射频率为3.2 THz的量子级联激光器（QCL）。该器件的整个研制过程，包括有源区材料生长、器件流片工艺以及光电特性测试等均在微系统所完成，为发展相关THz应用系统奠定了基础。THzQCL具有体积小、轻便、易集成、能量转换效率高，并且可在连续波模式下工作等优点。它是一种具有复杂结构的半导体量子器件。课题组采用V90气态源分子束外延设备生长了基于GaAs/AlGaAs材料体系的THzQCL有源区；采用单面金属波导工艺制备并封装了THzQCL器件；采用远红外傅里叶变换光谱仪测试了器件的发射谱，激射频率为3.2 THz。

据波兰通讯社报道，波兰华沙电子技术研究院新近研究成功制造量子级联激光器的技术。 　　量子级联激光器是当前最新形式的半导体激光器，自1994年问世后，它的商业化使用时间并不长。　　量子级联激光器是之所以吸引专业人士的眼球是因为它可以制造成便携式的探测器，用来探测像地雷中的甲烷一样的化学物质数量和化学工业中泄露的危险气体 在医学上也同样可以大有作为，可以用它在病人呼出气体中探察疾病的影踪，靠其红外辐射穿透人体的手段对人体进行安全扫描，其查验效果远远超过超声波。　　报道称，波兰科学家制造的量子级联激光器样机具有前所未有的功率，在室内温度下其红外辐射脉冲达到几十个毫瓦特，低温下达到五个瓦特。这个数值高于设计数值的三倍。量子级联激光器由几百个半导体层组成，被称为超晶格。超晶格层数的变化根据设计模式确定，通常达到几个纳米级。量子级联激光器在半导体材料中用独特方式采用激光传导机制。

2019年5月10-12号，由吉林大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所联合举办的第三届全国激光光谱技术学术论坛在吉林省长春市圆满落幕。滨松中国作为此次研讨会的首家赞助商，在会上隆重展出了激光器新产品——外腔调谐量子级联激光器L14890-09（External-Cavity Quantum Cascade Laser, EC-QCL）和低热功耗的蝶形量子级联激光器。 外腔调谐量子级联激光器L14890-09是一款利用腔外光栅结构、连续波长调谐、频扫式工作的脉冲量子级联激光器，波长调谐范围为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。 在中红外光谱应用上，相比较于传统的FT-IR方法，该产品充分利用激光的定向能和宽频扫特性，可实现中红外光谱的远程、非接触式、高通量测量。 现已应用于中红外光谱测量、树脂塑料分选、无创血糖测量、中红外高光谱成像技术以及气体分析等领域。值得一提的是，该产品在2018年被日本文部科学省纳米技术平台事业部授予“最佳成果奖”。Polystyrene film Measurement resultData provided byMr. Hiromitsu Furukawa, Electronics and Photonics Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology新款蝶形量子级联激光器，采用Tall-Butterfly 封装，相比较于传统的HHL封装，该款产品QCL芯片经过重新设计，在阈值电流、最大电流、芯片功耗以及总功耗方面均有大幅度优化。且更加紧凑，重量只有16g，非常适合于集成到气体分析设备内。该款产品仍然继承了滨松光子原HHL封装QCL的优点：CW功率保证不低于15mW，芯片工作温度10～65摄氏度，甚至某些高温芯片无需外部风冷，完全可以满足日常环境要求。 在探测器方面，滨松中国展出了满足ROHS标准的无毒害InAsSb红外探测，探测范围为1～14um。同时也展出了满足工业监测标准要求的CCD/CMoS阵列光谱仪，主要应用于紫外差分吸收光谱（DOAS）和拉曼光谱分析技术。滨松QCL产品在气体分析的应用中，具有实时检测、快速响应、高精度和高分辨率的优点。搭配相应的探测器，则可准确高效地实现气体的分析测量。

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

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》

此次，滨松光子学株式会社在日本国家研究开发法人新能源与产业技术开发组织（NEDO）主办的“实现IoT社会的创新传感技术开发”项目中，利用独自的微机电系统(MEMS)技术和光学封装技术，成功开发出世界上最小尺寸的波长扫描量子级联激光器(QCL)，其体积约为传统产品的1/150。通过将其与日本产业技术研究所开发的驱动系统结合，实现了高速操作和外围电路简化，同时作为光源安装在分析设备上，使可便携的小型分析设备的开发成为现实。在本开发项目中，我们提高了二氧化硫（SO2）和硫化氢（H2S）的探测灵敏度以及设备的维修性，目标是实现在火山口附近对火山气体成分的长期和稳定的检测。此外，它还可以应用于化工厂和下水道中有毒气体的泄漏检测和大气测量等。图1 世界上最小尺寸的波长扫描QCL，体积约为传统产品的1/150概要在火山爆发的前几个月，火山气体中的二氧化硫（SO2）或硫化氢（H2S）等浓度会开始逐渐上升，因此对该气体浓度的监测是火山爆发预测的常规方法。目前许多研究机构在火山口附近安装了电化学传感器分析设备，通过电极检测来实时分析火山气体的成分。但由于电极与火山气体的接触，容易出现寿命变短和性能降低的问题，因此除了定期更换部件等维护，监测的长期稳定性也是一个难题。这样，长寿命光源和全光学光电检测器分析设备则具有无需大量保养，还具有高灵敏度并长时稳定地进行成分分析的特点。目前因为光源的尺寸较大，尙难以将其安装在火山口附近。 在此背景下，滨松从2020年开始，参与了NEDO与产业技术综合开发机构(产综研)的“实现IoT社会的创新传感技术开发”※1项目，积极投入研究和开发具有全光学，小尺寸，高灵敏度和高可维护性特点的新一代火山气体监测系统。 滨松公司正在该项目中承担了分析设备光源的小型化任务，并成功开发出中红外光※2在7-8微米（μm，μ为百万分之一）范围内可高速改变输出功率的世界上最小尺寸波长扫描QCL（Quantum Cascade Laser）。※3（图1、图2、表）。本次新开发的产品是通过将其与产综研开发的驱动系统相结合，实现了高速操作和外围电路简化，作为光源安装在分析设备上，实现了可便携的小型化分析设备。此外，本项目的目标是进一步提高灵敏度和可维护性，实现长时间稳定地对火山口附近气体进行实时监测。同时也有望应用于化工厂和下水道的有毒气体泄漏检测和大气测量等用途。产品特点 1、开发了世界上最小的波长扫描QCL，体积约为传统产品的1/150。 公司利用独自的MEMS技术，对占据了QCL的大部分体积的MEMS衍射光栅※4进行完全的重新设计，成功开发出新的尺寸约为以前1/10的MEMS衍射光栅。此外，通过采用小型磁铁，减少了不必要的空间，并采用独特的光学封装技术，以0.1微米为单位的高精度实现部件的组装，实现了世界上最小的波长扫描QCL，其体积约为传统产品的1/150。 2、实现中红外光在波长7～8μm的范围内的周期性变化输出 滨松利用多年积累的量子结构设计技术※5通过搭载新开发的QCL元件，实现中红外光在易于吸收SO2或H2S的7-8μm的波长范围内的扫描输出。同时，我们还开发了可变波长QCL，可以从7-8μm范围内选择特定波长进行输出。 3、可高速获取中红外光的连续光谱 与产综研传感系统研究中心开发的驱动系统相结合，实现波长扫描QCL的高速波长扫描。它可以在不到20毫秒的时间内获取中红外光的连续光谱，可捕捉和分析随时间快速变化的现象。图2 波长扫描QCL的结构表 本次开发的波长扫描QCL的主要规格未来计划滨松公司将与NEDO和产综研进一步构建新型高灵敏度和高可维护性的火山气体监测系统，同时推进多点观测等实地测试。此外，公司将在2022年度内推出将该产品与驱动电路或与本司光电探测器相结合的模块化产品，以扩大中红外光的应用。 “注释” *1 实现IoT社会的创新传感技术开发 项目名称:实现IoT社会的创新传感技术开发 / 创新传感技术开发 / 波长扫描中红外激光器 研究开发新一代火山气体防灾技术 业务和项目简介：https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100151.html *2 中红外光 是一种波长比可见光长的红外光，一般把波长在4-10μm之间的红外光称为中红外光。 *3 波长扫描QCL（Quantum Cascade Laser） 量子级联激光器(QCL)是一种通过在发光层中采用量子结构，可以在中红外到远红外的波长范围内获得高输出功率的半导体激光光源。波长扫描量子级联激光器是将从量子级联激光器发出的中红外光进行分光，反射到MEMS衍射光栅，再通过对MEMS衍射光栅进行电控，使其的倾斜面发生快速变化，从而实现中红外光的波长快速变化并输出。 *4 MEMS衍射光栅 通过电流工作的小型衍射光栅。衍射光栅是一种利用不同波长的光衍射角度的差异来区分不同波长光的光学元件。 *5 量子结构设计技术 是一种利用纳米级超薄膜半导体叠层产生的量子效应的器件设计技术。在该开发中，滨松公司在QCL的发光层采用了独有的反交叉双重高能态结构（AnticrossDAUTM ）。

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。

p　　strong仪器信息网/strong讯 2018年6月7日-9日，由生态环境部、北京市人民政府、中国国际商会、联合国环境规划署共同支持，中国环境保护产业协会主办的第十六届中国国际环保展览会(CIEPEC2018)在北京开幕，滨松光子学商贸(中国)有限公司(以下简称“滨松中国”)受邀参展。借此机会，仪器信息网的工作人员采访了滨松中国的分析领域量子级联激光器(QCL)项目负责人周旭升，由他为我们介绍了QCL在环境大气遥感测量中的应用。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="周总照片.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/565951eb-966e-40d6-bf9e-29d02f832bac.jpg"//pp style="TEXT-ALIGN: center"　　span style="COLOR: rgb(0,112,192)"滨松中国分析领域量子级联激光器项目负责人周旭升/span/pp　　据了解，QCL是1994年Federico Capasso和同事卓以和等人在贝尔实验室率先发明的。QCL的工作原理与通常的半导体激光器截然不同，它打破了传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，其发光波长由半导体能隙来决定。量子级联激光器比其它激光器的优势在于它的级联过程，电子从高能级跳跃到低能级过程中，不但没有损失，还可以注入到下一个过程再次发光。/pp　　烟气、汽车尾气等污染气体中所含有的氮氧化物、硫氧化物等成分，对我们的健康有着很大的威胁，监测它们的排放情况，中红外波段光这时就大有用处了。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="QCL.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/efab3200-d43d-4347-b84a-8530b15ffcef.jpg"//pp　　QCLAS(量子级联激光调谐吸收光谱)技术是利用中红外光指纹峰来判断气体的种类和浓度的一种办法。目前常见的污染气体(有机/无机)在4μm～10μm内都有多重的、极其强烈的吸收峰。在这更宽的波长选择区间，QCL更高的功率可以实现低检出限(ppb以下)、高精度(ppb)、远距离(Km)、抗干扰、多组分(订制波长)。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="参考.png" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/71e6a5cd-d4e7-40b9-9b72-ab270b9eac47.jpg"//pp　　与同类厂商相比，滨松QCL采用的是DFB(分布式反馈激光器)结构，在内部设置了衍射光栅，可使光谱带宽处于非常窄的单一波长。虽然DFB-QCL很难实现量产，但滨松目前已拥有了充实的可定制化产品线。值得一提的是，滨松拥有芯片的生产专利，而且滨松QCL的整个生产过程均在自己的工厂完成，全环节无外包，保证产品质量的同时各个环节的反馈能够得到及时的响应。/pp　　最关键一点，滨松公司的QCL已经走出实验室，全线产品工作在10～50℃外界环境温度 长时间功率和波长可靠性可以大大节省前处理成本、校准周期和工序!在采访过程中，周工说到，“我们还有四点承诺，那就是我们的调试范围肯定是在正负一个波数的，而且绝对不会有模跳，单一精确波长，和最低20mW输出功率，这四点是绝对的承诺!”/pp　　从客户角度来讲，探测器和光源都来自同一个厂家是具有很大优势的。比如，目前多数的仪器制造商都是从不同厂家分别购买的探测器件和光源。但若开发出来的设备没有达到预期的性能时，由于器件来自不同的地方，就很难知道配合使用过程中的问题所在。在这方面，滨松拥有绝对的优势，除了光源，滨松是唯一可同时提供对应红外探测器的厂家，包括器件和模块。/pp　　在采访中，周工坦言，QCL目前还是小众技术，对于客户而言，它的成本相对较高，因此整个市场的销量也相对较少。周工形象地用“先有鸡?还是先有蛋?”的问题来比喻了QCL的市场情况。当客户的使用量增长以后，产品的成本自然会下降。对于光谱分析技术，中红外技术仍在发展阶段，在这个过程中，滨松是走在前面的，也希望通过和更多的客户合作，共同发展QCL激光分析技术以及其应用。/pp　　对于中国市场，滨松的客户目前集中在学术领域，在工业领域虽然还没有大批量的量产用户，但是大家对这中红外可调谐激光技术都表示出了强烈的兴趣。为更加方便国内客户对技术的了解和接触，滨松在中国专门配备了样机，供客户免费试用。在空气污染问题日益严峻的现在，我们也希望通过滨松这样的新型技术发展，为我们的环境监测应用带来更多的支持和可能。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="产品2.JPG" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/132431b3-00b1-49c1-924a-987066eccfb5.jpg"//pp style="TEXT-ALIGN: center"　　span style="COLOR: rgb(0,112,192)"环保展中滨松展示的QCLAS DEMO/span/pp style="TEXT-ALIGN: center"span style="COLOR: rgb(0,112,192)"img title="滨松展位.JPG" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/c69ba122-c1f3-4548-8461-5437bb392ffe.jpg"//span/pp style="TEXT-ALIGN: center"　　span style="COLOR: rgb(0,112,192)"滨松中国展位/span/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。

氨(NH3)是大气中最重要的碱性气体。农业活动，特别是施用合成肥料后的氨挥发，是人为氨排放的主要来源之一，也是农田养分流失的重要途径。这些氮(N)负荷有利于生态系统作为初级生产的营养投入，但也会导致许多环境和公共卫生问题，如生物多样性丧失、富营养化和雾霾污染。因此，特别是在农业地区，准确定量氨挥发和沉积通量对于了解地方和区域氮预算至关重要。然而，氨通量的现场测量仍然存在巨大的不确定性和挑战。 到目前为止，涡流协方差（EC）技术，基于同时测量地面上的湍流空气运动和气体浓度，是测量生态系统和大气之间的能量和质量交换的最直接的方法。对于氨通量测量，EC比其他方法有优势，因为它可以直接量化氨发射和沉积通量，并产生代表场尺度上空间平均的时间连续数据。然而，在过去，由于缺乏快速响应（≥10Hz）和高灵敏度的氨分析仪，特别是那些可以由现场太阳能电池驱动的分析仪，EC的应用受到了严重的限制。海尔欣昕甬智测推出一种采用量子级联激光吸收光谱技术的HT8700大气氨激光开路分析仪。根据实验室和现场测试，该仪器已被证明是在各种环境条件下测量氨通量的有效工具。 HT8700大气氨激光开路分析仪开创性的开路设计用于氨气测量基于量子级联激光技术，自主研发、设计、生产了的开路分析仪，具有低功耗（太阳能供电）、高精度（亚ppbv级）、快响应（10Hz）等特点，特别适合于地面氨排放和大气氨沉降通量的涡动相关法高频自动连续监测。 本研究采用HT8700大气氨激光开路分析仪，在全球氨热点地区之一华北平原的一个典型农业站点进行了氨通量测量。该实验时间持续了5周，并在小麦季节进行。本研究的主要目的是调查该农业基地秋季氨通量的特征，并量化氨对农田的干沉积和氨挥发造成的氮损失。

在当前时代，环境问题、气候变化以及可持续发展已经成为全球关注的焦点。在这一背景下，气体检测技术变得尤为重要，以便实时监测和控制大气中的有害气体排放，保护人类健康和生态平衡。量子级联激光光谱技术作为一种先进的光谱分析技术，在气体检测领域具有显著的应用优势，以下是一些关键的优势：1. 高精度和高灵敏度： 量子级联激光光谱技术具有极高的分辨率和灵敏度。这使得它能够探测非常低浓度的气体，甚至在远距离下也能实现精确的检测。这对于监测罕见但有害的气体排放至关重要，例如甲烷等温室气体。2. 多种气体同时监测： 量子级联激光光谱技术可以针对多种不同的气体进行监测，而无需更换设备。这种多功能性使得它适用于不同场景下的气体监测需求，从工业污染到大气组成分析。3. 非侵入性： 与传统的气体采样方法相比，量子级联激光光谱技术是一种非侵入性的技术。它不需要直接接触气体样本，避免了可能引起污染或影响结果准确性的问题。4. 实时性： 量子级联激光光谱技术具有快速的数据采集和处理能力，使其能够实时监测气体浓度变化。这对于迅速响应气体泄漏事件或污染源的变化非常重要。5. 长距离探测： 量子级联激光光谱技术能够实现长距离的气体检测，这在一些需要遥感监测的场景下特别有用，如工业区域的气体排放监测。6. 节能环保： 由于量子级联激光光谱技术能够快速、精确地完成气体检测，它可以在很大程度上减少能源和资源的浪费，从而降低环境影响。总之，量子级联激光光谱技术在气体检测领域的应用优势主要体现在高精度、高灵敏度、多功能性、实时性、长距离探测以及节能环保等方面。随着技术的不断发展，它有望在环境监测、工业安全、气候研究等领域发挥越来越重要的作用。宁波海尔欣光电科技有限公司所应用的量子级联激光光谱技术，在气体检测领域的应用优势主要体现在高精度、高灵敏度、多功能性、实时性、长距离探测以及节能环保等方面。随着技术的不断发展，它将在环境监测、工业安全、气候研究等领域发挥越来越重要的作用。9月，海尔欣光电科技有限公司旗下品牌“昕甬智测”产品HT8800系列便携式高精度温室气体分析仪于中国甘肃省兰州市顺利进行现场安装、调试。HT8800系列便携式高精度温室气体（二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、水）分析仪由宁波海尔欣光电科技有限公司自主研发、生产和销售，为“昕甬智测”品牌国产创新产品。该系列仪器基于量子级联激光技术设计，利用气体分子在中远红外的“指纹”吸收谱，使用半导体量子级联激光器（QCL）作为光源，使激光通过独创的中红外增强型光腔，被中红外光电探测器接收透射光并提取和分析透射光谱，准确反演获得目标温室气体成分的浓度，实现对目标温室气体分子的更精确、更及时、更科学的测量。更多详情请联系我们。

根据俄罗斯国家科学院西伯利亚分院网站报道，西伯利亚分院大电流电子研究所科研人员与托木斯克国立大学合作，研发出一种基于NV中心和光泵浦的金刚石激光器。相关研究结果发表在《Nature Communications》杂志上。制造该设备需要一种人造金刚石，经过辐射热处理，在其晶体结构中形成许多抗激光辐射的色心。对于量子技术来说，最重要的是NV中心（金刚石的色心之一）。NV色心是金刚石的结构缺陷，包括一个氮原子（N）和一个相邻的空位，晶格位置未被碳原子（V）占据。多年来，科研人员从金刚石色心获得激光辐射均未成功。此次，科研人员在含有多达10个NV中心和每百万碳原子多达300个氮原子的合成金刚石样品中，实现了非热发光的增强和激光辐射的产生。

分布反馈（DFB）激光器具有结构紧凑、动态单模等特性，是高速光通信、大规模光子集成、激光雷达和微波光子学等应用的核心光源。特别是，以ChatGPT为代表的人工智能领域呈现爆发态势，亟需高算力、高集成、低功耗的光计算芯片作为物理支撑，对核心光源的温度稳定性、高温工作特性、光反馈稳定性、单模质量、体积成本等提出了更高要求。近期，中国科学院半导体研究所材料科学重点实验室研究员杨涛-杨晓光团队与研究员陆丹，联合浙江大学兼之江实验室教授吉晨，在高功率、低噪声的量子点DFB单模激光器研究方面取得重要进展。该团队采用高密度、低缺陷的叠层InAs/GaAs量子点结构作为有源区，结合低损耗侧向耦合光栅作为高效选模结构，研制出宽温区内高功率、高稳定、低噪声、抗反馈的高性能O波段量子点DFB激光器。在25-85 °C范围内，激光器输出功率均大于100 mW，最大边模抑制比超过62 dB；最低的白噪声水平仅为515 Hz2 Hz-1，对应的本征线宽低至1.62 kHz；最小平均RIN仅为-166 dB/Hz（0.1-20 GHz）。此外，激光器的抗光反馈阈值高达-8 dB，满足无外部光隔离器下稳定工作的技术标准。该器件综合性能优异，兼具低成本、小体积的优势，在大容量光通信、高速片上光互连、高精度探测等领域具有规模应用前景。相关研究成果以High-Power, Narrow-Linewidth, and Low-Noise Quantum Dot Distributed Feedback Lasers为题，发表在Laser & Photonics Reviews上。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. 量子点材料的形貌和荧光特性，以及器件与光栅结构图2. 器件的输出特性、光谱特性、光频率噪声特性和外部光反馈下的光谱稳定性

p style="text-align: justify text-indent: 2em "等离子体激光器由于其本身的亚波长金属腔而经受着低输出功率和光束发散的困扰。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong近日，里海大学（Lehigh University）的科研人员研制出一套方案，可以显著提高激光的发射效率和改善光束质量，研究人员称之为锁相的方案。通过该应用，可以实现目前为止最高高功率的太赫兹激光输出。他们研制出的激光可以产生迄今为止最高的发射效率，并且适用于任何单波长半导体激光量子级联激光器。/strong/pp style="text-align: center"strongimg style="max-width: 100% max-height: 100% width: 470px height: 530px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/13f65aca-5a4c-4d3c-b367-43abbfff42c9.jpg" title="截屏2020-07-01 下午5.15.13.png" alt="截屏2020-07-01 下午5.15.13.png" width="470" height="530"//strong/pp style="text-align: center text-indent: 0em "strong文章截图/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "阵列的金属微腔穿过等离子体波而实现纵向地耦合，从而导致单个光谱模的发射和衍射局限在表面法线方向形成单瓣光束。研究人员将这一方案应用于太赫兹等离子体量子级联激光器（quantum-cascade lasers，QCLs）和测量峰值功率超过2 W的单模 3.3 THz QCL在窄单瓣光束时的发射，条件为运行温度为58K时的紧凑型斯特林制冷机。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "新的等离子体激光器锁相方案，与以往在半导体激光器方面的大量文献中对锁相激光器的研究截然不同，该方法利用电磁辐射的行波作为等离子体光腔锁相的工具。同早期的工作相比较，研究人员展示了在功率上可以有一个数量级的增加和至少30倍高的平均功率强度的单模太赫兹QCLs存在。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "该方法获得的太赫兹激光辐射效率是迄今为止任何单波长量子级联所能达到的最高水平，也是首次报道这种量子级联的辐射效率超过50%。这一高效率可以说超过了研究人员一开始的预期，这也是为什么他们研制的激光器的输出功率会显著的高出以前的激光器的原因。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "这项工作的主要创新在于光学腔的设计，它在某种程度上独立于半导体材料的特性。研究人员认为，在利哈伊大学的利哈伊大学光子学和纳米电子学中心，新获得的电感耦合等离子体（ICP）刻蚀工具在推动这些激光器的性能边界方面发挥了关键作用。这一研究报道可以说是单波长太赫兹激光的范式转变，窄的光束将会得到发展和在将来继续发展，同时研究者认为在将来太赫兹的前途非常光明。/p

垂直集成光电子产品制造商Thorlabs公司从Physical Sciences(PSI)公司收购了Maxion Technologies公司。Maxion公司致力为客户提供交钥匙型的中红外激光器，其由美国军队研究实验室的几位科学家和工程师于2000年创建，并于2009年被PSI公司收购。Maxion公司的带间级联(IC)激光器和量子级联(QC)激光器产品能够为化学传感、红外对抗以及自由空间光通信中等应用提供3-12μm的产品解决方案。　　Maxion将加入Thorlabs的量子电子(TQE)团队。Thorlabs公司总裁兼创始人Alex Cable表示，“非常欢迎Maxion团队加入Thorlabs的大家庭。Maxion的IC/QC激光器的加入，将为TQE现有半导体激光技术提供有力补充。”　　收购Maxion将进一步增强Thorlabs的TQE部门的设计和制造能力，包括高功率GaAs激光二极管和最先进的基于MEMS的可调垂直腔面发射激光器(VCSEL)。有了强大的QC/IC设计和专业知识和SB-MBE生长技术，Thorlabs公司将可以生产全系列的半导体激光器，波长覆盖0.7-12μm，这也将使其成为工业传感、医疗、生命科学、电信/仪器仪表领域的可靠商业合作伙伴。

据美国《每日科学》网站3月31日报道，澳大利亚因斯布鲁克大学研究小组最新实现的更高能量单原子激光，不但具有传统激光器的属性，还展示了单个原子相互作用的量子力学性质。　　在传统型激光器中，光学性质活跃的物质被放置在两面镜子之间的一个空腔内，然后用电流或另一束激光将其激发。光学性质活跃的物质所发射出的光子被反射再次穿过物质，会激发更多光子的发射，最终产生激光。系统中单个电子或光子的量子涨落对整个激光器几乎没有影响。　　单个原子激光器，其激光出自于单个原子。首先对于激光系统性能而言，其工作阈值条件具有非常重要的意义。因斯布鲁克大学的科学家瑞纳布拉特与皮特施密特领导的研究小组，展示了激光阈值高度完美化的最小可能：单个原子可在光学腔中单模交互。被“囚禁”在离子阱中的单一钙离子，因接受外部激光刺激而活跃，释放出一个光子。由两面镜子组成的高精度光学腔，能捕捉并聚集该光子，离子循环的每个周期都有一个光子被添加到腔洞系统中，使光线得以增强。　　单原子激光器可促进人们了解单个原子与单个光子之间的相互作用，由单原子激光器产生的非经典光将实现对光子流量的精细控制，在光子信息工程中具有很大的应用前景。自1958年研制成功以来，激光就被冠以“最快的刀、最准的尺”之名。但现今的这项技术正在将此概念延伸到一个全新的领域。　　该项成果发表于最新一期《自然物理学》杂志上.

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。

Recently, a collaborative research team from Key Laboratory of Opto-Electronic Information Acquisition and Manipulation of Ministry of Education and Laser Spectroscopy and Sensing Laboratory, Anhui University, and HealthyPhoton Technology Co., Ltd. published a research paper titled Measurements of line strengths for NO2 near 6.2 μm using a quantum cascade laser spectrometer.近日，来自安徽大学光电信息获取与处理教育部重点实验室、安徽大学激光光谱与传感实验室、宁波海尔欣光电科技有限公司的联合研究团队发表了一篇题为Measurements of line strengths for NO2 near 6.2 μm using a quantum cascade laser spectrometer的研究论文。Research Background研究背景Nitrogen dioxide (NO2) is a common pollutant that comes primarily from the emissions of burning fossil fuels, natural lightning, and microbial processes in soil. Atmospheric NO2 contributes to the formation of ground-level ozone. It can cause photochemical smog and lead to increased acidity of rain. Continuous exposure to high NO2 concentration may result in a wide variety of short- and long-term adverse health effects on the respiratory system of humans and animals. Therefore, developing a cost-effective and robust sensor system for NO2 monitoring is crucial.二氧化氮是一种常见的污染物，主要来自化石燃料燃烧排放、自然雷电以及土壤中的微生物过程。大气中的NO2有助于地面臭氧的形成，可能导致光化学烟雾，并导致雨水酸度增加。持续暴露于高浓度的NO2可能对人类和动物的呼吸系统产生各种短期和长期的不良健康影响。因此，开发一种成本效益高、稳健的NO2监测传感器系统至关重要。Many technical solutions have been developed for NO2 detection. The chemiluminescence and wet chemical analysis are commonly used for NO2 detection. However, these methods have a slow response time and suffer from low selectivity in discriminating between NO and NO2, which limit their application. Optical methods based on absorption spectroscopy provide powerful access for trace gas analysis with extremely high sensitivity, selectivity, and fast response. Laser-based absorption spectroscopy techniques in mid-IR molecular fingerprint region are ideal for trace gas analysis because most atmospheric species have strong fundamental vibrational transitions in this spectral region, which allows highly sensitive and selective detection of trace gases. The commercial available continuous-wave (CW) quantum cascade lasers (QCLs) in the mid-IR spectral region have been widely used for developing spectroscopic techniques for quantitative analysis of NO2.已经开发了许多技术解决方案用于NO2检测。化学发光和湿化学分析通常用于NO2检测。然而，这些方法响应时间较慢，且在区分NO和NO2时选择性较低，限制了它们的应用。基于吸收光谱学的光学方法具有高度的灵敏度、选择性和快速响应，为痕量气体分析提供了强大的手段。基于中红外分子指纹区的激光吸收光谱技术对于痕量气体分析非常理想，因为大多数大气成分在该光谱区域具有强烈的基本振动跃迁，从而实现对痕量气体的高灵敏度和选择性检测。商业上可用的中红外光谱区的连续波（CW）量子级联激光器（QCLs）已广泛用于发展NO2 的定量分析的光谱技术。Experimental setup实验设置In this work, a mid-IR CW-QCL-based laser absorption spectrometer is constructed in our laboratory to revise the spectral region from 1629 cm&minus 1 to 1632 cm&minus 1. The schematic of the CW-QCL-based spectroscopic setup used to investigate the NO2 absorption spectroscopy line parameters is shown in Fig. 1.在这项工作中，我们在实验室中构建了一台基于中红外CW-QCL的激光吸收光谱仪，以修订波数从1629 cm&minus 1 到 1632 cm&minus 1的光谱区域。图1显示了用于研究NO2 吸收光谱线参数的基于中红外CW-QCL的光谱设置的示意图。Fig. 1. Experimental setup of the CW-QCL based laser spectrometer.宁波海尔欣光电科技有限公司为此项目提供了激光发射器（QC-qubeTM）与驱动器（QC750-TouchTM）。一个CW室温QCL芯片被封装在一个热电（TE）制冷的光束整形包装中，由一个集成的温度和低噪声电流控制器驱动。QC-qubeTMQC750-TouchTMA CW RT QCL chip is packaged in a thermoelectrically (TE) cooled beam collimation package (Q-qubeTM, HealthyPhoton Co., Ltd.), which is driven by an integrated temperature and low noise current controller (QC750-TouchTM, HealthyPhoton Co., Ltd.). The laser source is operating in the wavelength region from 1629 cm&minus 1 to 1632 cm&minus 1 without mode hops and has an average output power of 30 mW. The laser frequency is scanned across absorption lines using a triangular wave at a typical frequency of 100 Hz. The linewidth of the laser is approximately10 MHz, and thus the broadening induced by the laser line profile can be neglected. The laser beam is initially collimated and sent through a sample cell with an optical path length of 29.6 cm. A wedged CaF2 window placed at the Brewster angle is used to avoid residual etalon fringes. The QCL output beam is combined with a visible red light (632.8 nm) by a ZnSe beam splitter to facilitate the optical alignments of the QCL output beam. The main beam that transmits through the sample cell is focused by a convex lenses into a TE-cooled, high-speed IR photovoltaic detector (PVI-4TE-6, Vigo, Poland) that can operate at RT. Therefore, the detector does not require liquid nitrogen cooling, simplifies the routine use of the system, and allows for longterm automated operation. Data are subsequently acquired using a data acquisition board card (National Instruments, USB 6259). The other part of the beam is coupled into an etalon, which is constructed with two ZnSe mirrors and has a free spectral range of 0.0163 cm&minus 1.激光源在1629 cm&minus 1到1632 cm&minus 1的波长范围内工作，没有模式跳变，并且平均输出功率为30 mW。激光频率通过三角波在典型频率100 Hz下进行扫描。激光的线宽约为10 MHz，因此可以忽略激光线型引起的展宽。激光束最初被准直，并通过一个光程为29.6 cm的样品池。在Brewster角度放置的楔形CaF2窗口用于避免残留的Etalon条纹。QCL输出光束与可见红光（632.8 nm）通过ZnSe分束镜相结合，以便于对准QCL输出光束的光学调整。透过样品池的主光束通过凸透镜聚焦到一个TE制冷的高速红外光伏探测器，该探测器可以在室温下操作。因此，探测器不需要液氮制冷，简化了系统的常规使用，并允许长期自动化操作。数据随后使用数据采集板卡进行获取。光束的另一部分被耦合到一个Etalon中，该Etalon由两个ZnSe镜构成，自由光谱范围为0.0163 cm&minus 1。Fig. 2. DFB-QCL tuning features at different operating temperatures and operating currents.Conclusion结论In this study, a compact spectroscopic sensor based on a TE cooled RT CW-QCL was developed for trace NO2 detection. The spectra of NO2 and N2 mixtures with high resolution were detailedly investigated at RT (~296 K) and in the pressure range of 0–90 mbar. Absorption spectra were fitted with a standard Voigt profile. Accurate measurements of line intensities and N2 pressureinduced broadening coefficients for 43 lines of NO2 around 6.2 μm were performed. This spectral region is highly suitable for high sensitive detection of NO2 concentration. Our results agree well with those given in the latest HITRAN16 database in terms of line strength. The experimentally spectroscopic parameters will be useful for upgrading our newly developed NO2 gas sensor system for atmospheric trace gas monitoring and industrial process control. In addition, we hope that the results will be valuable to the spectroscopic databases of NO2 molecule.本研究中，我们开发了一款基于热电制冷的室温连续波量子级联激光器（RT CW-QCL）的紧凑型光谱传感器，用于痕量NO2的检测。在室温（~296 K）和0-90毫巴的压力范围内，详细研究了NO2和N2混合物的高分辨率光谱。吸收光谱采用标准Voigt轮廓进行拟合。对于约6.2微米附近的43条NO2谱线，进行了线强度和N2压力诱导展宽系数的准确测量。这个光谱区域非常适合于对NO2浓度进行高灵敏度检测。我们的结果在谱线强度方面与最新的HITRAN16数据库相当一致。实验性的光谱参数将有助于升级我们新开发的用于大气痕量气体监测和工业过程控制的NO2气体传感器系统。此外，我们希望这些结果对于NO2分子的光谱数据库具有重要价值reference参考来源：Measurements of line strengths for NO2 near 6.2 μm using a quantum cascade laser spectrometer, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 250 (2020) 107047

DFB-2000是海尔欣推出的新一代DFB激光器驱动控制器，整合了全新设计的触摸屏UI界面，激光电流源，以及温度控制功能，极大的方便了用户的操作、使用及测量。海尔欣自主研发的电路，具有极低的电流噪声与极低的温度漂移，最适合精密光学测量。驱动器包含散热单元，TEC温度控制电路和低噪声电流驱动，支持外部任意波形的模拟信号调制，并将状态监控实时显示于驱动器触摸屏上。与QC750-TouchTM量子级联激光驱动器类似，考虑到激光器芯片的昂贵成本，海尔欣特殊设计的最大电流软钳制功能，可有效规避异常情况下大电流对激光管造成的损伤。除此以外，DFB-2000同时具备多种安全保护机制，zui大限度保证激光器的安全。该产品可被广泛使用在基于实验室和现场部署的多种近红外光谱测量系统，集成度高，稳定可靠。产品特色• 一体化集成电流源及温控驱动，功能完备• 温度控制驱动采用非PWM式的连续电流输出控制，大大延长TEC器件的使用寿命• 多种输出保护机制，确保芯片安全，如可调电流钳制、输出缓启动、过压欠压保护、 超温保护、继电器短路输出保护等• 最大电流软钳制功能，避免误操作大电流损坏激光管• 全液晶触控UI界面，便于用户操作使用及数据观测• 全自主研发，集成度高，性价比高参数指标电流源驱动性能 输出电流范围 10 ~ 250mA 漂移24hr(@25℃) 1mA 最大偏置电压 5V 模拟调制带宽 DC - 100kHz 缓启动时间 3 ~ 4s 电流噪声密度 (10kHz~100kHz@250mA) 4nA/(Hz)1/2TEC温控性能 TEC最大控制电流 ±2A TEC最大控制电压 5V 最大热功率耗散 12W 设置温度范围 10 ~ 50℃ 控温范围 10 ~ 50℃ 控温稳定度 0.01℃（环境温度25℃恒温） 0.05℃（室温环境） 温度传感器类型 适用10 kΩ或20kΩ热敏电阻模拟外调制 输入阻抗 10 kΩ 调制系数 100mA/V ±1% 3dB带宽 DC -100kHz 调制电压范围 ±2.5V通用参数 供电电源 5V DC，15W (含电源适配器) 工作环境温度 10 ~ 40℃ 储存环境温度 -10 ~ 85℃ 输出接口 RS232通讯（含模块通讯线缆） 人机界面（含触控笔） 全液晶触摸屏显示与控制，报警，日志记录功能 尺寸（长*宽*高） 16.2×11.56×5.37 cm3 重量 ＜1.5kg结构尺寸（单位：mm）接口定义序号名称备注1. 液晶显示屏 显示界面，详见用户手册3. 旋转编码器微调电流、温度、快速开机等，详见用户手册232 通讯接口6. 电源接口供电输入8. 触控笔 方便进行屏幕操作 表1 壳体面板说明（部分）1. TEC+14. TEC-2. Thermistor13. Case3. NC12. NC4. NC11. LD Cathode5. Thermistor10. LD Anode6. NC9. NC7. NC8. NC注：可根据客户实际需要更改引脚定义。 表2 DFB发射模块接口说明（部分）界面视图（部分）图1 主界面1）激光器电流：显示了实际的激光器电流值。2）TEC温度：显示了实际的TEC温度值。3）激光器电流和TEC温度左边的选择按钮：一旦选中相应的选项可以用旋转按钮进行微调。4）激光器开关：控制激光器电流源开启/关闭。开启状态时开关为橙色，关闭状态时为灰色。图2 设备连接创新点：• 一体化集成电流源及温控驱动，功能完备• 温度控制驱动采用非PWM式的连续电流输出控制，大大延长TEC器件的使用寿命• 多种输出保护机制，确保芯片安全，如可调电流钳制、输出缓启动、过压欠压保护、 超温保护、继电器短路输出保护等• 最大电流软钳制功能，避免误操作大电流损坏激光管• 全液晶触控UI界面，便于用户操作使用及数据观测• 全自主研发，集成度高，性价比高DFB-2000 半导体激光器屏显驱动

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。

美国加州大学圣巴巴拉分校与加州理工学院的科学家携手，开发出了首款同时集成激光器和光子波导的芯片，向在硅上实现复杂系统和网络迈出了关键一步。此类光子芯片有助科学家开展更精确的原子钟实验，减少对巨型光学工作台的需求，也可用于量子领域。相关论文已发表于近日出版的《自然》杂志。实验概念图图片来源：《自然》网站集成电路出现后，科学家们开始将晶体管、二极管和其他组件集成在一个芯片上，这大大提高了芯片等的潜力。在过去几年里，光子学领域的科学家一直希望能实现同时集成激光器和光子波导。为研制出此类芯片，工程师们开发了插入式隔离器，以防止可能会出现的导致芯片不稳定的反射。但这种方法需要使用磁性材料，而这也会引发新的问题。在最新研究中，科学家找到了解决这些问题的方法，创造出了第一个真正可用的集成芯片。研究人员首先在硅衬底上放置一个超低损耗氮化硅波导，随后在波导管上覆盖多种硅，并在其上安装了低噪声磷酸铟激光器。通过将两个组件隔离开，防止了蚀刻过程中对波导的损坏。研究团队通过测量芯片的噪声水平来测试其性能，结果令人满意，随后他们用其制造出一个可调谐的微波频率发生器。

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。

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

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。

美国哈佛大学科学家在最新一期《光学》杂志上撰文称，他们研制出了首个集成在铌酸锂芯片上的激光器，为高功率通信系统、全集成光谱仪、光学遥感，以及量子网络的高效变频等应用铺平了道路。研究人员解释称，长距离通信网络、数据中心光互连和微波光子系统都依赖激光来产生光载波以用于数据传输。但大多数情况下，激光器是独立设备，位于调制器外部，这会使整个系统更昂贵，且稳定性和可扩展性也较差。在最新研究中，哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员与行业合作伙伴携手，在铌酸锂芯片上开发了第一台全集成高功率激光器。他们将小型但功能强大的分布式反馈激光器集成在芯片上。这些激光器位于蚀刻在铌酸锂芯片内的小井或沟槽中，且与铌酸锂内的50千兆赫兹电光调制器相结合，构建了一个高功率发射器。最新研究资深作者马科隆卡尔说：“集成铌酸锂是开发高性能芯片级光学系统的重要平台，但将激光器安装到铌酸锂芯片上已被证明是一个极大的挑战。在这项研究中，我们借助纳米制造技巧和技术，克服了这些挑战，实现了在薄膜铌酸锂平台上集成高功率激光器的目标。”最新研究第一作者、SEAS研究生阿米拉桑沙姆斯安萨里说：“集成高性能即插即用激光器将显著降低未来通信系统的成本、复杂性和功耗。我们最新研制出来的这款集成激光器可以集成到更大的光学系统中，用于传感、激光雷达和数据通信等一系列应用。”研究团队强调说，将薄膜铌酸锂器件与高功率激光器相结合，是朝着大规模、低成本、高性能发射阵列和光网络方向迈出的关键一步。他们计划继续提高激光器的功率和可扩展性，以使其能应用于更多领域。

滨松公司利用其独特的光学半导体制造工艺，成功研制出世界上最大规模的液晶型空间光调制器（Spatial Light Modulator，以下简称SLM※1），该SLM的有效面积约较以往产品增加了4倍，且耐热性更高。该开发器件可应用于工业用高功率连续振荡（以下简称CW）激光器，实现激光分束等控制，应用到如金属3D打印，以激光烧灼金属粉来模塑成形车辆部件等，同时有望提高激光热加工的效率和精度。本次研发项目的一部分是受量子科学技术研发机构（QST）管理的内阁办公室综合科学技术和创新会议战略创新创造计划（SIP）第2期项目“利用光和量子实现Society 5.0技术”的项目委托，开展的研发工作。该开发器件将于4月18日（星期一）至22日（星期五）在横滨Pacifico（横滨市神奈川县）举办为期5天的国内最大的国际光学技术会议“OPIC 2022”上发布，敬请期待。※1 SLM：通过液晶控制激光等入射光的波前，调整反射光的波前形状，来校正入射光的光束和畸变 等，是可自由控制激光衍射图形的光学设备。传统开发产品（左）和本次研发器件（右）产品开发概要本次研发的器件是适用于高输出功率CW激光器的SLM。激光器分为在短时间间隔内可重复输出的脉冲激光器和连续输出的CW激光器。脉冲激光器可以减少热损坏，实现高精度加工；而CW激光器可用于金属材料的焊接和切割等热加工，因此成为激光加工的主流。滨松凭借长期以来积累的独特的薄膜和电路设计技术，已经成功开发了全球耐光性能最佳，适用于工业脉冲激光器的SLM。通过应用SLM，将多个高功率脉冲激光光束进行并行加工，相较于仅聚焦到1个点的加工方式，它的优势在于它可以实现碳纤维增强塑料（CFRP）等难加工材料的高速、高精度地加工。但在应用于CW激光器时，存在随着SLM温度上升导致性能下降的问题。SLM结构和图形控制原理SLM由带像素电极的硅衬底、带透明电极的玻璃衬底，以及两衬底中间的液晶层组成。它通过控制在像素电极上的液晶的倾斜角度，来改变入射光的路径长度然后进行衍射。其结果便是，通过对入射光进行分支、畸变校正等，实现对激光束照射后衍射图形的自由调控。此次，滨松公司运用了大型光学半导体器件在开发和生产中积累的拼接技术（※2），将SLM的有效面积扩大到30.24×30.72 mm，约为现有尺寸的4倍，为世界上最大的液晶型SLM，也因此它可以减少SLM单位面积的入射光能量。同时，由于采用耐热性和导热性俱佳的大型陶瓷衬底，提高了散热效率，成功地抑制了因CW激光器连续照射而引起的温度升高，使得SLM可适用于工业用的高功率CW激光器。此外，大面积硅衬底在制造过程中容易出现弯曲、平整度恶化的情况，进而导致入射图形的光束形状产生畸变，针对这一问题我们运用了滨松独特的光学半导体元件生产技术，使SLM在增大面积的同时，保持了衬底的平整度。至此，实现了光束的高精度控制。※2拼接技术：在硅衬底上反复进行光刻的技术。适用于完成无法一次性光刻的大型电子回路。本次研发的器件适用于工业用高功率CW激光器，实现多点同时并行加工，有望提高如金属3D打印为代表的激光焊接和激光切割等激光热加工的效率。此外，通过对光束形状进行高精度的控制，该开发器件可根据对象物体的材料和形状进行优化，进而实现高精度的激光热加工。今后，我们将继续优化SLM结构中的多层介质膜反射镜，以进一步提高耐光性能。此外，我们也会将此开发器件搭载到激光加工设备中，进行实际验证实验。研发背景SIP第2期课题旨在通过将网络空间（虚拟空间）和物理空间（现实空间）高度融合的信息物理系统（Cyber Physical System，以下简称CPS）验证具有革命性的创新型工业制造。其中，“利用光和量子的Society 5.0实现技术”中，我们研发的主题包括激光加工在内的3个领域，旨在通过CPS激光加工系统验证创新型制造的可能性。随着CPS激光加工系统的实现，我们期待通过AI人工智能收集在多种条件下用激光照射物体得到的加工结果数据，选择最佳的加工条件，进而优化设计和生产过程。SLM被定义为CPS激光加工系统中必需的关键设备，为此，我们将继续致力于提高SLM的性能。本次研发的器件在CPS激光加工系统中的应用场景主要规格

美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员制造出迄今最小的室温纳米激光器以及一台效率很高的无阈值激光器，能让所有光子都以激光形式进行发射，不浪费任何光子。　　所有激光器都需要源于外部特定数量的抽运功率来发射相干光束或激光。产生激光还必须满足阈值条件，也就是相干输出要大于产生的自发辐射。然而，激光器越小，达到发射激光的阈值所需的抽运功率越大。为了解决这一问题，科学家们为新激光器设计了一种新方法，使用共轴纳米腔内的量子电动力效应来减轻阈值限制。该激光腔包含有一个被一圈金属镀层所包裹的金属棒，通过修改该激光腔的几何形状，科学家们制造出了这种无阈值激光器。　　新设计也使他们制造出了迄今最小的室温激光器。新的室温纳米尺度的共轴激光器比两年前《自然—光子学》杂志介绍的最小激光器小一个数量级，整个设备的直径仅为半微米。　　这两台激光器需要的操作功率都非常低，这是一个重要的突破，这些小尺寸且超低功率的纳米激光器可成为未来微型计算机芯片上的光学电路的重要元件。这些高效的激光器可被用于增强未来光子通讯使用的计算芯片的能力，光子通讯领域需要使用激光器在芯片上遥远的点之间建立通讯链接。这种激光器需要的抽运功率更少，也意味着传送信息需要的光子数量也更少。　　参与该研究的雅可布工程学院的Mercedeh Khajavikhan认为，这种无阈值激光器还能被缩小，这使其能从更小的纳米设备捕获激光，因此能被用于制造和分析比目前激光器发出的光波波长更小的超材料。超材料的应用范围从能看见单个病毒或DNA分子的超级镜头到能让物体周围的光弯曲使它“隐身”的隐形设备。(黄健)