风冷固定波长氩离子激光器

据《日刊工业新闻》报道，日本电气通信大学、理化学研究所、东京大学等多个大学和研究机构组成的研究团队，最近成功开发波长为0.15纳米的原子级激光器。据称，该激光器的波长是目前世界最短，比现有最短波长激光器的波长小一个数量级。该研究成果已发表在英国《自然》杂志电子版。　　研究团队在20微米厚的铜箔上照射X射线，使其产生X射线激光，从而通过微小材料制成高效X射线激光器。据报道，该X射线激光器的研制成功，首次在硬X射线区实现了利用原子能级差的原子级激光器。该激光器在可视光至近红外光谱有广泛应用，但较难使用于包括X射线在内的短波长领域。　　研究团队利用X线自由电子激光设备(SACLA:SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser )去除围绕原子核旋转的电子中最靠近原子核的一个电子，通过几乎同时射入的弱X射线，成功激发了被称为傅立叶极限的理想激光。　　报道称，该研究成果的意义还在于，利用作为导线的铜箔可实现理想的X射线激光器，预示了将来使用电路板铜线实现X射线激光器的可能性。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率光纤激光技术实验室在特殊波长的飞秒超快光纤激光器研制方向取得重要进展。该团队首次报道了一种基于色散管理、全保偏九字腔的978 nm飞秒掺镱光纤激光器。相关研究成果以Generation of 978 nm dispersion-managed solitons from a polarization-maintaining Yb-doped figure-of-9 fiber laser为题，发表在《光学快报》（Optics Letters）上。978 nm掺镱飞秒锁模光纤激光器因独特的应用价值而备受关注。然而，由于Yb3+在978 nm波长附近的吸收截面近似等于发射截面，为了在这个波长获得高性能激光输出，必须克服978 nm处的激光自吸收和1030 nm附近的放大自发辐射（ASE）等问题。此外，Yb3+在978 nm附近的增益带宽相对较窄，这进一步增加了在该波长下获得飞秒激光脉冲的难度。因此，与1 μm以上的传统掺镱锁模光纤激光器相比，实现这种978 nm的飞秒光纤激光器面临着更大挑战。针对上述问题，研究团队采用基于九字腔结构的非线性放大环镜（NALM）技术实现了978 nm处色散管理孤子的稳定输出。实验中，通过控制激光腔内各色散元件的参数有效地管理了腔内总色散，并引入滤波器来抑制1030 nm的ASE，最终获得了具有14.4 nm光谱带宽和175 fs的高相干激光脉冲。此外，激光腔由全保偏光纤器件组成，能够有效抗温度、震动等环境扰动，确保了锁模脉冲的长期稳定性。数值模拟结果表明，978 nm色散管理孤子的光谱宽度主要受限于Yb3+在相关波长附近的增益带宽。未来，可以利用非线性效应在腔外进一步展宽光谱，从而在这个特殊波长实现更窄脉宽的激光输出。该研究实现的978 nm锁模脉冲是迄今为止报道的相关波长超快光纤激光器中能够输出的最短脉冲，在水下通信和太赫兹波产生等领域具有良好的应用前景。图1.978 nm九字腔色散管理孤子光纤激光器实验装置图图2. 978 nm九字腔光纤激光器输出脉冲参数。（a）光谱，（b）脉冲序列，（c）射频谱，（d）自相关信号，（e） 腔外压缩后的频谱和（f）自相关信号。图3. 数值模拟结果。（a、b）输出色散管理孤子的光谱和时间特性；（c、d）腔内脉冲的时频演化过程。

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 ）。

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

p　　英国曼彻斯特大学的一个研究小组使用石墨烯等离子体的独特特性开发了一款可调谐太赫兹激光器。该成果发表在《科学》杂志上，该论文描述了研究小组的实验方法、所制作的四个原型、激光器的效果，以及他们将新技术应用到可用设备中的计划。马可· 波利和意大利理工学院在同一期对该研究团队的工作提出了一些意见，并就该技术可能发挥重要作用的领域提供了一些评论。/pp style="text-align: center "　　img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201603/insimg/2105af08-51ed-4216-b28b-0c7fff9552fe.jpg" title="untitled.png"//pp　　在太赫兹范围内工作的激光器可用于多种应用，因为其光束能够穿过衣物或覆盖物。这种激光器已制造出来，但迄今为止，只有一个固定波长，这限制了其在现实环境中的实用性。英国研究小组的这项新研究找到了一种方法，可调太赫兹激光器的波长，或许会改变太赫兹激光器的现状。/pp　　为了研制新的激光，该研究小组使用石墨烯替代激光器中的金属，因为石墨烯的波长可以在电场中被改变。他们开始通过一系列砷化铝镓量子点和不同厚度的砷化镓井放置在基板上，随后用黄金制成的波导将其覆盖。再将一层石墨烯放置在黄金层的顶部，研究人员减少了裂缝迫使电子穿过井之间的隧道。最后用聚合物电解质覆盖该三明治结构，并用悬臂梁的方式调谐激光器。/pp　　该实验制备出一个能产生太赫兹光束的器件，但不可能用于日常应用中。研究组又制备了四个原型，并在各种情况下对这些原型进行了测试。该团队相信这些器件，他们称其为“概念证明”，可以修改以实现电压控制，从而适用于每个狭缝，这将使器件具有更大的调控性。此外，波利还指出一个问题，即聚合物会防止悬臂梁背面的尖端与石墨烯片足够接近，阻碍精确控制的实现。(工业和信息化部电子科学技术情报研究所 张慧)/ppbr//p

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

p style="text-indent: 2em text-align: left "据美国《新闻周刊》网站近日报道，科学家利用激光冷却，创造出温度达到零下273℃的中性等离子体，其比太空深处温度还要低。这一成果发表于《科学》杂志，显示了极端环境下（比如白矮星和木星中央）等离子体的新的可能性。/pp style="text-indent: 2em text-align: left "一般认为，激光可用于加热，但其实也可用于冷却物理系统。在实验中，英国莱斯大学的汤姆· 基利安和同事使用10台不同波长的激光器来冷却中性等离子体。等离子体是在固体、液体和气体之后，物质的第四种它通常在极热的地方（比如太阳内）产生。/pp style="text-indent: 2em text-align: left "研究人员先用一组激光器蒸发锶金属，这些激光器捕获并冷却了一组原子。然后，他们用第二组激光电离这些超冷气体，激光脉冲将这些气体转换成等离子体，这些等离子体迅速膨胀然后消散。/pp style="text-indent: 2em text-align: left "基利安解释说：“如果一个粒子（原子或离子）正在移动，我用一束激光来抵制它的运动，当该粒子从激光束中散射出光子时，就获得了动量来减慢速度。诀窍在于确保光子始终从与粒子运动相反的激光中散出来。”/pp style="text-indent: 2em text-align: left "1999年，基利安在美国国家标准与技术研究所进行博士后研究，开创了从激光冷却的气体中创造中性等离子体的电离方法。此后，他一直在寻求让等离子体更冷的方法，最新研究让他20年的追寻成为现实。目前，他们正努力制造更冷的等离子体。/pp style="text-indent: 2em text-align: left "基利安说：“我们将尝试开发新的温度探头来测量更冷的温度。如果能在不让密度变得太低的情况下，将温度降到足够低，该系统将形成结晶等离子体——维格纳晶体，据信白矮星中心的离子以这种状态存在。”/pp style="text-indent: 2em text-align: left "基利安表示，当科学家研究出如何冷却原子气体时，就打开了“超冷世界”的大门，这使他们能将原子气体冷却到比绝对零度（零下273.15℃）高出百万分之一摄氏度左右，“在此处，量子力学开始发挥作用”。通过研究超冷等离子体，有望回答有关物质在高密度和低温的极端条件下如何表现的基本问题。/p

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。

没有测量就没有科学技术，没有超精密测量仪器，就不会有高端装备制造。然而多年来，中国制造业升级几乎是由国外超精密测量仪器来支撑，这是我国高端制造的短板之一。中国在超精密测量仪器领域，是否能够实现颠覆性技术突破和技术的持续跃迁，从而实现追随、并行、赶超，让“卡脖子”不再来？渐进式创新常有，颠覆性创新不常有，尤其是在历经几十年发展的激光测量技术领域。为了追求“变不能为能，使激光测量仪器具有更高精度、更小体积、更方便使用、更低造价”，清华大学教授张书练不介意是否进“冷门”坐“冷凳”，深挖激光现象不止，转化激光现象为纳米测量技术不停。从发现现象开始，到把现象推化为仪器原理，他取得了一系列颠覆性技术成果：发明了新型原理双折射（-塞曼）双频激光器，开发出十多种世界独一份的激光器纳米测量仪器。目前，多种仪器已经实现应用，部分实现规模产业化，在光刻机、机床、航空航天等领域得到广泛应用，带动了纳米测量，对科学技术做出了的重大贡献。张书练教授近日，仪器信息网有幸采访到这位非常具有创新性且多产的科学家，请他谈一谈自己这条深耕了40年的偏振正交激光器纳米测量技术的研究和应用之路。 路自创新开，果从问题来张书练生于农村，每每假期，他都下地干活，十分卖力。经历过多次旱涝，也常见春天的盐碱覆盖农田，缺苗少棵。百姓靠天吃饭，常靠政府救济。锄头的力量实在有限，既解决不好温饱更帮不了别人。他从高中课堂里，学到了蒸汽机、内燃机、电力、化肥，知道这才是“改天换地”的力量。20世纪60年代，清华大学在四川绵阳建立分校，张书练作为清华大学精仪系（原机械系）光学仪器专业学生，随校远赴绵阳，毕业后留校，被纳入分校（现在的清华电子系）激光专业任教。70年代，国家恢复研究生招考，张书练考入清华大学精仪系光学仪器专业，并回到北京。硕士论文的研究内容是激光陀螺，毕业后又在精仪系任教。激光技术的基础和精密仪器系的环境，使张书练走进了“激光”和“纳米测量”学科交叉的方向，心底的追求使他迈向“不创新我何用，不应用我何为”的道路。《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》是张书练教授于2021年3月出版的学术书，总结了自己近40年有新意和有重要性的成果。在写作过程中，他从回顾中感悟到：失败和质疑是开辟创新之路的动力。在中国仪器界，过去长期大幅度落后于西方先进国家，这给了我国一个模仿、学习、跟进的快速成长机会。但现在或不远的未来，如何在无人引领的前沿仪器领域保持创新？张书练教授认为，“科学家应该见问题而喜，我们就是为解决问题才当教授的。有失败和质疑，就有需要解决的问题，才会有连续不断的成果并产生各种应用。”例如，张书练教授在研究环形激光器测量弱磁场和测量位移受阻，产生了双折射-塞曼双频激光器，今天显示出其突出重要性；申请“激光器纳米测尺”，被专利审查员质疑，因为形似一样实为不同，抗辩中接触了激光回馈，把他创新的正交偏振激光器引入激光回馈又开辟了一个新的方向，如今已是“枝繁叶茂”。坚韧不拔，金石可镂谈及对创新的执着，张书练教授说“坚韧不拔，金石可镂，才能攀上创新高峰，落实到应用”。他研究的双折射双频激光器，历经30余年才实现批量应用，是张书练教授攀上高峰的范例之一。近50年来，塞曼氦氖双频激光器作为光源的干涉仪——双频激光干涉仪，一直是机械制造、IT（光刻机）等行业不可替代的纳米测量仪器。而由于原理限制，这种传统塞曼双频激光器存在三大缺憾。首先，两个频率之差一般在3兆赫兹左右。这一小频率差成为双频激光干涉仪提高测量速度的瓶颈，测量速度一直不超过1米/秒，成为提高测量导轨、光刻机、机台等设备测速的障碍。第二，需要加大频率差时，激光器的功率大幅度下降，7兆赫兹频率差激光功率下降到一百多微瓦，甚至几十微瓦，测量路数受到瓶颈性限制。此外，塞曼双频激光器输出的偏振旋转的光束，需要经转化才成为偏振与光传播方向垂直的光（线偏振），这给干涉仪带来几纳米，甚至10纳米的非线性误差。中国计量院的测试表明，非线性误差不仅是塞曼双频干涉仪的缺憾，也存在于单频干涉仪和其他类型的激光干涉仪中。该如何跳出这一窠臼？从物理原理再出发！张书练教授自1985年起开始了寻找产生大频率差方法，也即偏振正交激光器的研究。通过梳理、探究激光器的原理、特性和频率稳定技术，从普通的晶体双折射现象中，他找到了解决问题的契机。基于此，通过在激光器内置晶体石英片，使激光频率分裂，一个频率分成两个偏振方向互相垂直的光频率，晶体石英片的厚度，放置角度的微小改变，即可实现频率差的大范围改变，一个全新的双频激光器产生了——双折射双频激光器，其可输出40MHz到数百MHz频率差的光。如再加上横向磁场，成为双折射-塞曼双频激光器，输出~0MHz到数百MHz频率差的光。双折射（-塞曼）双频激光器为双频激光干涉仪性能的阶跃（减小非线性误差，提高测速，增加测量路数）做好了准备。利用双折射产生双频是把石英晶体片安放于激光器内，张书练证明双折射双频激光器的可行性。进一步，找到了消除两个频率相互竞争的“死区”，解放出0~40兆赫兹频率差的方法，这其中有复杂的物理问题，又有复杂的技术问题。再进一步，就是找到能实用、最优的双折射双频激光器的结构，包括实现全内腔，真空封接方式，消除环境温度变化影响等。为此，十几位研究生（博士，硕士）和工程师长期持续攻关，难以计数的实验，否定之否定，最终发明了内应力激光腔镜，即把双折射做在激光器反射镜内。这一激光器称之为双折射-塞曼双频激光器。这一颠覆性的激光器技术站在了世界双频激光的最前列。最后的胜利要体现在双频激光干涉仪上，只有把双折射双频激光器作光源的双频激光干涉仪做出来，并在应用中纠错改进，被应用认可，推广开，才算成功。从原理设计、实验验证装置、工程样机到仪器产品的跨越，可谓“古来征战几人回”。“熬人！”张书练教授用两个字表达了自己的体会，但他的脸上却洋溢着自豪。“从提出原理，到实验验证，再到产品化，并应用到双频激光干涉仪中。一开始仪器不稳定，我们就不停做调整，做工艺改造。在这个过程中，十几年就过去了。”张书练教授说到。如今，张书练教授发明的以双折射双频激光器为核心的激光干涉仪已成功实现批量商用。该仪器可广泛应用于科学研究、光刻机、数控机床、航空航天、舰船等行业；其核心部件——双频激光器，基于双折射产生激光双频的原理，比国内外传统的塞曼双频激光器的激光功率高四倍、频率差大一倍或两三倍、最近达到13倍（40MHz），且没有两个频率之间耦合串混，分辨率达到1纳米，线性测量长度范围0到70米，非线性误差小于1纳米，测量速度超过2米/秒。这些技术指标，满足了机床检定、高端光刻机工件台定位等应用的要求。据透露，华为等经过广泛调研，选定了张书练教授的双频激光干涉仪，此外，相关机构也选定了张书练教授的双频激光器。独辟蹊径，步步生花双折射-塞曼双频激光器和干涉仪的成功是是从“冷门”里出来的，张书练教授认为，“被世界公认为那种‘红的’、‘紫的’领域，最有创新的工作往往已经完成了，再跟过去，虽然也能发表文章，也能突破，但仅仅是在人家设计好的大筐子里做。”“冷门”研究，说起来容易，做起来难。因为探索的是新原理的仪器，研究的是几乎空白的领域，张书练教授在工作展开过程中不可避免地遇到了太多的问题，他却对此保持了一个非常乐观的心态。在激光器的研究过程中，他深入揭示了其物理现象（获教育部自然科学一等奖两项），如以往不能观察的激光模分裂、模竞争、正交偏振，正交偏振回馈等，并从新发现的这些现象中思考，独辟蹊径，步步生花。在为双频激光干涉仪研究双折射（-塞曼）双频激光器的同时，张书练教授研究了双折射双频激光器的两个频率之间的耦合，也就是它们相互争夺（竞争）能量的过程，看到一个频率光强度增加伴随另一个频率的光强度减小，直至一个到最大时另一个被熄灭，周而复始。一个全过程正好是激光谐振长度变化半个光波长（316纳米），电路处理后，一个上升沿、下降沿是78纳米。这就是张书练教授发明的氦氖激光器纳米测尺等仪器，获得了国家发明二等奖（2007年）。激光的两个偏振正交的频率是因在激光器内放入了晶体石英或应力元件产生的，反过来，测出激光器的频率差就知道了激光器内的元件有多大内应力，多大内部双折射，这就发明了世界最高精度的光学波片和双折射的测量仪器，比传统仪器高一个量级。特别是测量方法可溯源到自然基准——光的波长。其至今成为唯一的国家标准的测量方法，也是世界上第一个波片相位延迟标准。客户利用这种仪器对加工过程中激光陀螺的元件进行内应力检测，找到了残余应力的成因，显著提高了精度。上海光机所用标准仪器校准了用于核聚变研究的激光玻璃内应力测量的仪器。这款仪器使他再次获国家发明二等奖（2010年）。气体HeNe激光器可以做出以上仪器，固体微片（毫米尺寸）激光器能有所作为吗？张书练教授指导博士生开始固体微片（毫米尺寸）激光双频激光干涉仪的研究，也取得了成功，研制出国内外第一台固体微片激光双频干涉仪，第一台固体微片激光回馈位移测尺。张书练教授从最基本的激光原理和光学原理出发，以解决问题为导向，一个又一个的创新思维，指导开发出这些世界独一份的纳米仪器，应用并产业化，从而创建了“偏振正交激光器纳米测量”学术体系。仪仪相连，都是“中国创”张书练教授带领团队展开的研究工作，像葡萄树一样，一直向上开花结果。行进中，来了一个又一个“中国创”的机会，横向看去，仪仪相连成片，都是颠覆性的技术。激光回馈本来是激光系统中“绝对的害群之马”，张书练教授之前看过相关的文献，却没有想到要去研究它。因“位移自传感器氦氖激光器系统及其实现方法”专利在申请的时候被专利审查员驳回，说其与美国伯克利分校的一个专利相同，张书练教授便仔细阅读了审查员提供的对比文件，发现两个专利在结构上非常雷同，核心元件一样多，摆放顺序一个样，却因一个镜片的差别，使其原理完全不同，属于两个分支。张书练教授的专利，在镜片两面都镀上了激光消反射膜，光线没有反射地通过，镜片仅仅起到密封激光器的壳内气体的作用，完全不遮挡光线，所以被称为窗口片；而伯克利的这个镜片是个高反射率镜片，激光器靠其对光束的反射形成振荡。也就是说，一个与激光振荡无关，一个是激光器振荡的必需元件，即前者是激光振荡系统，后者是激光回馈系统。张书练教授想到，如果自己的偏振正交激光原理引入回馈，又会是什么行为呢？试一试！张书练教授先安排一个研究生研究激光回馈技术，要亲自看清了激光回馈的行为，思考激光回馈技术走向何方。自然想起偏振正交激光器技术，他用偏振正交激光器改造了激光回馈，于是，观察到若干新的现象，形成了偏振正交激光器回馈纳米测量系列技术和仪器，把激光回馈技术推上了一个新的高度，也使偏振正交激光器“再添双翅”。或走入他的实验室参观，或阅读他的四部专著（《正交偏振激光原理》、《激光器和激光束》、《Orthogonal Polarization Lasers》、《不创新我何用，不应用我何为——你所没有见过的激光纳米测量仪器》）和近400篇论文，可看到，张书练教授及其团队研制出的激光回馈光学相位延迟/内应力在线测量仪、激光回馈纳米条纹干涉仪、微片激光（Nd：YAG和Nd：YVO4）共路（和准共路）移频回馈干涉仪、激光回馈远程振动和声音测量仪、激光回馈材料热膨胀系数测量仪、微片固体激光万分尺、Nd：YAG双频激光干涉仪、微片固体激光回馈共焦测量技术、微片固体激光回馈表面测量技术等十余种国内外独有的纳米测量仪器，仪仪相连，构建出了一个“正交偏振激光器回馈纳米测量仪器”体系。“步步生花”的“偏振正交激光器纳米测量仪器”和“仪仪相连”的“偏振正交激光器回馈纳米测量仪器”，构建成了一个完整的“偏振正交激光器及纳米测量”体系。“其中，激光器是核心，我们看见并解决了他人没有想到的问题，仪器的‘台阶’也就上来了。”张书练教授说他和团队的成果鲜明特征是，“激光器就是仪器，仪器就是激光器自身。”坐实创造，不让论文变“云烟”在实验室里，一个博士生来了，做完实验，毕业后离开，然后再来一个博士生，这是一种很正常的安排，却往往使经验和教训难于传承，因为论文里面记录的一般都是好的结果，不常写入失败和纠正错误的过程，传承不全面。张书练教授很早就注意到了这个问题，因此邀请了4个工程师来实验室工作，由他们和学生一起完成实验。也正是这些工程师的工作，帮助张书练教授及其团队传承了一个个技术和仪器。张书练教授很注重团队研究课题的取舍，发现论文漂亮，实际上不能应用的，或更改方案，或暂时放下；发现论文漂亮，实际应用可能性大的，就持续研究，做实验样机。一直找机会仪器化，把首创的技术和仪器推向应用。除了双折射双频激光干涉仪外，国内外首台基于激光回馈原理的纳米分辨力固体激光回馈干涉仪也已经实现产业化，在美国圣路易斯华盛顿大学、合肥工业大学（三台已应用10年）、上海理工大学、北京理工大学等处被应用，且使用情况良好。该仪器能够无接触地测量微、轻、薄、黑、烧红等目标的移动量，以及水、酒精等液面的位移和高度变化，完全不需要在被测物上加附件配合，可用于监测航天相机的支架和镜面形变等。该仪器还可用于刻划光栅的金刚车刀，光束直接射向车刀，颠覆了以往光束射向车刀支撑臂的方式，将测量误差减小到1/4。“这些仪器，我想无论如何还是要传承下去。我在这块做了几十年研究，花了国家不少钱，要回馈给社会，这是我目前所想的事儿。虽然已经有几款仪器实现了产业化，但还是希望另外几款仪器也能‘成气’，至少，有仪器公司能把它接下来，由企业来推动仪器化、产业化。”张书练教授说到。据悉，北京镭测科技有限公司正努力把仪器产业化，尤其是双频激光干涉仪已经被几个半导体企业采购，担当起半导体全产业链一个重要环节国产化替代的历史重任。此外，华为、德国Blankenhorn和福建福晶科技有限公司等国内外企业也在为张书练教授团队仪器的产业化和推广而努力。凡是新原理的东西，想要真正被社会所认可，尽管再好用，再有潜力，都是要花时间的。且由于历史和思维定式，国外多年强势，要国人接受中国自己的创造有很多事要做，要国人接受国产高档激光仪器也是一个循序渐进的过程。张书练教授对此表示：“困难怕意志，中国创、世界用的时代一定会到来！” 个人简介张书练，清华大学本科，硕士，教授，博士生导师。激光和精密测量专家，偏振正交激光器纳米测量技术的国内创建人和国际主要创建人。作为第一完成人，获国家技术发明二等奖两项，教育部自然科学一等奖两项，电子学会发明一等奖一项等十余次奖项。他在ISMTII-2017国际学术会议上被授终身贡献奖。出版专著：唯一作者3部，第一作者1部，主编国际会议专题文集2部，计测技术“教授论精密测量”一期，发表论文360余篇，发明专利权80余项。发明的双折射-双频激光器及干涉仪等纳米测量仪器已经批产。

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。”

微纳光子学亚波长器件研究获进展 或让电子学和光子学在纳米尺度上联姻　　微纳光子学主要研究在微纳尺度下光与物质相互作用的规律及其光的产生、传输、调控、探测和传感等方面的应用。微纳光子学亚波长器件能有效提高光子集成度，有望像电子芯片一样把光子器件集成到尺寸很小的单一光芯片上。纳米表面等离子体学是一新兴微纳光子学领域，主要研究金属纳米结构中光与物质的相互作用。它具有尺寸小，速度快和克服传统衍射极限等特点，有望实现电子学和光子学在纳米尺度上的完美联姻，将为新一代的光电技术开创新的平台。　　金属-介质-金属F-P腔是最基本的纳米等离子体波导结构，具有良好的局域场增强和共振滤波特性，是制作纳米滤波器、波分复用器、光开关、激光器等微纳光器件的基础。但由于纳米等离子体结构中金属腔的固有损耗和能量反射，F-P腔在波分复用器应用中透射效率往往较低，这给实际应用带来不利。　　针对此问题，中科院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室刘雪明研究员及其课题组成员陆华、宫永康等近期开展了相关研究并取得一定成果。到目前为止，已在Optics Express, Optics Letters, J. Opt. Soc. Am. B, Applied Physics B等国际著名光学期刊上发表论文十余篇。最近，科研人员提出了一种提高表面等离子体F-P腔波分复用器透射效率的双腔逆向干涉相消法。该方法能有效避免腔的能量反射，使入射光能完全从通道端口出射，极大增强了透射效率。此设计方法还能有效的抑制噪声光的反馈。同时，科研人员利用耦合模方法验证了这种设计方法的可行性。这种波分复用器相比目前报道的基于F-P单腔共振滤波的波分复用器的透射效率提高了50%以上。相关的成果于2011年6月20日发表在Optics Express上，论文题目为：Enhancement of transmission efficiency of nanoplasmonic wavelength demultiplexer based on channel drop filters and reflection nanocavities。　　该研究成果引起了美国光学学会(Optical Society of America, OSA)的注意，并于6月27日被选为“Image of the week”。　　论文链接

p 激光器是精密的代名词，但一般来说，其还有改进的余地。“完美”的激光器会在一个特定的波长发出一种光。光从激光器中射出，激光起振后,会有一个或多个纵模产生,每个纵模的频率的范围就是激光的“线宽”。尽可能缩窄线宽是激光研究的目标之一，现在德国研究人员已经开发出了世界上最小线宽的激光器，线宽仅为10 mHz(0.01 Hz)。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/d28fbc97-43fc-4843-8448-b6c70db66b3c.jpg" title="fa9904fa7c0c651.jpg"//pp　　通常，最好的激光器可以具有窄到几kHz的线宽，但是对于特别精确的仪器，如光学原子钟，就需要将之进一步收窄。另一种衡量激光束质量的方式是光频率的稳定性：在过了一段时间之后，光波的震荡会出现不同步，因此一束激光能维持更长的“完美”时间，其质量也就愈佳。/pp　　来自德国联邦物理技术研究院(PTB)和美国天体物理联合实验室(JILA)的科学家共同研发的新型激光器在这两个领域均表现优异。除了其10 mHz的极小线宽，其光波能持续11秒保持稳定，此时光束延伸约330万公里，约是地月距离的10倍。/pp　　事实上，新的激光器非常精确的，难以与现有的激光器进行比较，为了证明它的价值，团队研发了两个激光器，并将它们相互比较。这两个设备由Fabry-Pé rot硅谐振器制成，包含两个彼此相对的固定反射镜。由于谐振器的长度决定了光波的频率，所以研究人员利用长21cm的谐振器来获得理想的激光束。 研究人员通过这样精确的测量，使仪器不受其他因素干扰，例如压力，振动和温度。/pp　　研究人员正在利用这种极小线宽的新型激光器来制造更准确的原子钟，并对超冷原子进行更精确的测量。研究人员认为，通过调整反射镜的组成并找到降低谐振器内部温度的方法，线宽能进一步收窄，甚至可以达到1 mHz以下。/pp　　这项研究成果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上。/ppbr//p

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

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

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

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

近期，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

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

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心冯衍研究员领衔的课题组，在高功率拉曼光纤激光器研究中取得新进展。提出了一种镱-拉曼集成的光纤放大器结构，有效地解决了拉曼光纤激光器功率提升的主要技术瓶颈问题，在1120nm波长，首次获得580W的单横模线偏振拉曼光纤激光和1.3kW的近单模拉曼光纤激光输出。　　近年来，高功率光纤激光器发展迅速。1&mu m波段的掺镱光纤激光器，近衍射极限输出功率可达20kW，多横模输出功率可达100kW。尽管如此，稀土掺杂光纤激光器的输出波长，因稀土离子能级跃迁的限制，仅能覆盖有限的光谱范围，限制了其应用领域。基于光纤中受激拉曼散射效应的拉曼光纤激光器是拓展光纤激光器波长范围的有效手段。　　该项研究中，在一般的高功率掺镱光纤放大器中注入两个或多个波长的种子激光，波长间隔对应光纤的拉曼频移量。处于镱离子增益带宽中心的种子激光率先获得放大后，在后续光纤中作为泵浦激光对拉曼斯托克斯激光进行逐级放大。初步的演示实验获得了300 W的1120nm拉曼光纤激光输出 接着采用较大包层(400&mu m)的光纤，获得了580W的单横模线偏振拉曼光纤激光和1.3kW的近单模拉曼光纤激光输出。结果发表于《光学快报》(Optics Letters)和《光学快讯》(Optics Express) [Opt. Lett. 39, 1933-1936 (2014) Opt. Express 22, 18483 (2014)]。鉴于目前高功率掺镱光纤激光器均采用主振放大结构，新提出的光纤放大器结构可用于进一步提升拉曼光纤激光的输出功率。初步的数值计算也表明，该技术方法有望在1～2&mu m范围内任意波长获得千瓦级激光输出。　　该项研究得到了中国科学院百人计划、国家&ldquo 863&rdquo 计划、国家自然科学基金等项目的支持。　　 千瓦级掺镱-拉曼集成的光纤放大器结构示意图　　输出功率随976 nm二极管泵浦功率的变化曲线，其中的插图为最高输出时的光谱。

由中国电子学会太赫兹分会、太赫兹科学协同创新中心主办，中国科学院空天信息创新研究院承办的“第六届全国太赫兹科学技术学术年会”于2020年11月13在广州盛大召开，15日落下帷幕。 太赫兹科学技术学术年会是太赫兹领域规模最大的全国会议，是国内太赫兹科学技术领域科技工作者的一次盛会。此次会议为进一步推动国内太赫兹科学技术的发展，促进学术交流，并研讨融合国内太赫兹领域力量协同创新发展太赫兹的科学技术及产业化发展问题。第六届太赫兹年会是迄今为止规模最大的盛会，本次参会人数达到400人以上，上百位国内太赫兹领域技术专家受邀进行现场报告，进行学术技术交流。天美公司携旗下爱丁堡气体激光器助力了此次会议。这也是自2019年天美公司收回爱丁堡气体激光器代理权后，第二次参与赞助太赫兹科学技术年会。天美公司在第六届全国太赫兹科学技术年会现场展台 会议期间，不仅遇到了很多爱丁堡太赫兹气体激光器的用户。同时，也有众多老师和同学们莅临展台进行太赫兹光源的咨询。天美公司作为国内主要的科学仪器供应商，将一直致力服务于科研领域。为广大用户提供更专业的仪器和技术服务。 　　英国爱丁堡气体激光器主要生产并供应各类红外及远红外气体激光器，其中包括CO激光器、CO2激光器、脉冲TEA-CO2激光器及远红外太赫兹（THz）激光器。其产品具有波长可调，光束质量优良，稳定性高等特点，在科研领域具有广泛应用。

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

成果名称400um光纤耦合千瓦半导体激光器单位名称北京工业大学联系人李强联系邮箱ncltlq@bjut.edu.cn成果成熟度□研发阶段 &radic 已有样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产合作方式&radic 技术转让 &radic 技术入股 &radic 合作开发 □其他成果简介：　　400&mu m光纤耦合千瓦半导体激光头实物图　400&mu m光纤耦合千瓦半导体激光器整机实物图本项目研发的光纤耦合半导体激光器光纤耦合输出功率大于1000W，光束质量好，耦合光纤芯径400&mu m，光纤耦合效率大于96%，总的电光效率42.99%。样机集成激光模块、电源、冷却、控制等为一体，通过触摸屏实现激光器开关、输出功率设置、状态监测显示。激光器可以放置于机柜上方，也可以与机柜分离放置，适应科研应用及工业加工配合机床或者机械手的应用需求。产品化样机配备了用于激光焊接、激光熔覆的加工头，已进行了不锈钢等材料的激光焊接、激光熔覆加工应用。本项目研发的高光束质量光纤耦合输出半导体激光器，采用标准的半导体阵列（10mm bar），避免采用特殊的半导体激光器所带来的器件成本增加；采用微光学元件对半导体阵列的发光单元重构、变换，单阵列输出功率高，组合阵列数减少，装配工艺相对简单，降低了制作成本；耦合传输光纤采用高功率石英传输光纤，提高激光器的传输效率和可靠性，满足推广应用的要求。本项目创新点是采用标准的半导体阵列（10mm bar），通过微光学元件将阵列发光单元重构、变换的新方法，极大提高阵列的光束质量。本项目所研制的400&mu m光纤耦合千瓦激光器中，所使用的每一个半导体阵列都采用了该技术提高了光束质量，使得每个空间合束模块能够获得高功率、高光束质量的激光输出。该项技术不仅可以应用于半导体激光器的直接应用，而且在用于泵浦源应用时，可以提高泵浦激光的功率密度，可以为提高输出激光的功率和光束质量。可以预期的是，利用该项技术，在现有的400&mu m光纤耦合千瓦激光器的技术基础上，通过合束更多的激光波长，获得2000W，甚至更高的激光输出功率，为工业应用提供更高功率的激光源。而且该项技术应用于泵浦固体激光器、光纤激光器等方面，提高了泵浦光的功率密度，也为实现高性能的固体激光器、光纤激光器等提供更好的技术支持。应用前景：输出激光光强分布图半导体激光器与其他传统的材料加工用大功率激光器如 CO2 激光器、YAG 激光器相比，具有体积小巧，结构紧凑，是灯泵 Nd：YAG 激光器的1/3，光电转化效率高，节省能源，无污染，系统稳定性高，寿命长，维护费用低的特点。目前大功率光纤耦合半导体激光器用于激光熔覆、激光焊接在中国处于启动阶段，国产光纤耦合半导体激光器，只能将标准半导体阵列激光耦合入大芯径光纤（芯径600&mu m以上光纤），由于激光亮度低，只能用于金属材料的激光熔覆。而本项目研制的400um光纤耦合千瓦半导体激光器，由于光束质量好，可直接用于激光熔覆、激光焊接、切割等领域，代替国外产品。本项目开发的千瓦级光纤耦合半导体激光器除了具有国内外的半导体激光亮度的基础指标外，还具有其它优点：1. 自主开发，具有完全的自主知识产权；2.采用标准半导体阵列，使整体原材料成本降低20%－25%；3.空间合束组合模块后，进行偏振、波长合束的方法组合，使产业化中方便进行模块化工艺设计，适于大批量生产；4.采用微光学元件对光束进行整形，使装配难度及后端光纤耦合难度降低，从而降低生产成本；可附加多种功能，如指示光、光电探测器等，更灵活适应用于各种行业；5.多个半导体阵列模块可灵活组合，可方便为用户提供多种解决方案。知识产权及项目获奖情况：本项目开发的千瓦级光纤耦合半导体激光器受到北京市科学技术委员会首都科技条件平台资助，是自主开发产品，具有完全的自主知识产权。专利情况：（1）大功率固体激光高效率光纤耦合方法，专利号：CN101122659A（2）激光二极管电极连接装置，专利号：CN100527532C

近日必达泰克公司（B&W Tek）的“新型激光器（Cleanlaze™ 系列）在拉曼光谱分析中的应用”，成功地获得了美国专利 (专利号: US 7,245,369 B2), 为拉曼专用激光器的应用提供了新的选择。 新型激光器（Cleanlaze™ 系列）是一种窄带、稳频、低功耗、小体积、结构紧凑的激光激发光源（特别是在近红外波长范围内）。过去这种激发光源依赖于外腔型激光器，其成本和复杂程度往往令使用者望而生畏。B&W Tek在与有关厂商的多年合作过程中，成功发展了数种高性能、高性价比的稳频半导体激光器，并将其应用在拉曼光谱分析中，成功地获得了美国专利。该系列主要有785nm、830nm、980nm及其他客户所需波长。根据不同拉曼光谱分析的需求，我们提供了单模（0.02nm FWHM）及窄带多模（0.25nm FWHM）等不同规格。多模激光器最大可通过光纤输出大于1.2w的功率。单模目前已经可以达到输出100mw的要求。 基于这款Cleanlaze™ 系列激光产品，B&W Tek为广大客户提供了3种仪器系统。 一． 完整的拉曼光谱仪系统MiniRam™ 、MiniRam™ II和i-Raman™ ，其中包括了Cleanlaze™ 系列激光产品 二． 供实验室使用的台式Cleanlaze™ 系列激光激发光源 三． OEM Cleanlaze™ 系列激光模块，其包括TE 致冷控温，电路驱动以及激光光纤输出。 （以上产品均有USB激光输出功率控制模块选配。） 美国必达泰克公司一直致力于激光器和微型光纤光谱仪的研发生产，在激光器和光谱仪的研发生产上有着丰富的经验。目前必达泰克公司在激光器和光谱仪方面已获得多项美国专利，并且还有十几项专利正在审核中。如需要具体信息，可与上海办公室联系，必达泰克光电科技（上海）有限公司，电话021-64515208。我们将竭诚为您服务！

必达泰克公司的半导体泵浦固体激光器近日获得了美国专利 (专利号: US 7,218,655 B2), 为环境温度变化较大时的激光器应用提供了新的选择。 该激光器采用了必达泰克公司自主研发的先进技术，使其在没有致冷/加热控制器的情况下也能在环境温度变化较大的情况下获得稳定的输出，从而避免了带有温度控制系统的激光器所常有尺寸大、功耗高的弊病，使其更适用于如搜索营救时的信号指示、现场检测设备以及激光指示器等应用。该专利可应用于蓝光、绿光等固体激光器上，在拓宽激光器的适用温度范围和延长其使用寿命方面有显著的效果。 美国必达泰克公司一直致力于激光器和微型光纤光谱仪的研发生产，在激光器和光谱仪的研发生产上有着丰富的经验。目前必达泰克公司在激光器和光谱仪方面已获得两项美国专利，并且还有十几项专利正在审核中。美国必达泰克公司，竭诚为您的激光应用服务！

中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光技术与应用系统实验室李建郎研究员课题组“径向偏振光纤激光器”研究工作近日取得突破性进展。该研究组从掺镱光纤激光器中获得2.42瓦高效率、高偏振纯度和高轴对称性的径向偏振激光输出，创造了目前径向偏振光纤激光器研究的最高纪录。　　径向偏振光束在离子捕获、生物光镊、高分辨率显微镜技术、电子加速以及高效率高精度金属材料加工等领域有着非常重要的应用，通过固体、气体激光器的输出来直接产生该种光束已经成为国际研究热点领域之一。2006年李建郎等人首次提出利用稀土掺杂的多模光纤作为增益介质来直接输出径向偏振激光的概念，并在掺镱光纤激光器实验中获得了近40毫瓦的径向偏振激光输出(Opt. Lett., 31, 2969, 2006 Opt. Lett., 32, 1360, 2007 Laser Phys. Lett., 4, 814 2007)。继该研究领域被开拓后，以色列魏兹曼研究所(Weizmann Institute of Science, Israel)、美国代顿大学(Dayton University, USA)等研究机构的科学家相继通过努力在掺铒光纤激光器中实现了140毫瓦(斜坡效率约为3%) 的径向偏振激光输出(Appl. Phys. Lett., 93, 191104, 2008 Appl. Phys. Lett., 95, 191111, 2009)。在这些前期研究中，由于寄生振荡等因素的干扰，激光器效率和功率很低，并且存在偏振纯度低以及光束轴对称性差等关键性缺陷，限制了径向偏振光纤激光器技术的进一步实用化。　　该课题组李建郎、林迪等经过约一年时间的奋斗摸索，在实验中采用光纤耦合的976nm二极管激光器从端面泵浦1.8米长的多模掺镱双包层光纤。该增益光纤具有低V参量，仅支持光纤基模以及其邻阶模(其中包括TM01模，即径向偏振模)传输。同时增益光纤的一个端面被切成8o斜角以抑制光纤端面之间的寄生振荡。实验采用具有径向偏振选择性的光子晶体光栅镜做为激光器的输出耦合器。实验测得激光器阈值泵浦功率为0.9W，在最大泵浦功率7W 时输出功率达到2.42W，光—光效率为35%(对应的斜坡效率43.8%)，激光器波长为1050nm。激光器输出圆环形光斑，且为径向偏振，偏振纯度为96%。　　此结果目前已远优于其他国际同行的工作。该研究首次实验证明了径向偏振光纤激光器完全可以达到与同类的固体激光器相比拟的性能指标，从而基本消除了困扰径向偏振光纤激光器发展及应用的技术障碍。

由中科院承担的深紫外固态激光源系列前沿装备日前通过验收，我国成为世界上唯一能够制造实用化深紫外全固态激光器的国家。　　&ldquo 这是我国自主研发高精尖仪器的一个成功范例。&rdquo 9月6日，由中科院承担的国家重大科研装备研制项目&mdash &mdash &ldquo 深紫外固态激光源前沿装备研制项目&rdquo 通过验收，验收委员会给出了如是评价。　　该系列前沿装备中的深紫外非线性光学晶体与器件平台、深紫外全固态激光源平台，以及基于这两个平台研制的8台新型深紫外激光科研装备各项既定目标全面完成，使我国成为世界上唯一能够制造实用化深紫外全固态激光器的国家。　　中科院院长白春礼表示，该项目是中科院相关研究所和科学家在长期科研工作积累的基础上，协同攻关、自主创新取得的重要成果，也是中科院近年来&ldquo 致力重大创新突破、服务创新驱动发展&rdquo 的具体体现。　　开启深紫外时代　　项目从一个晶体开始。　　这是一种名为氟硼铍酸钾(KBBF)的晶体。上世纪90年代初，在发现硼酸盐系列非线性光学晶体后，中科院院士陈创天的研究团队经过10余年努力，在国际上首先生长出大尺寸KBBF晶体。　　KBBF晶体是目前唯一可直接倍频产生深紫外激光的非线性光学晶体，是在非线性光学晶体研究领域中，继硼酸钡、三硼酸锂晶体后的第三个&ldquo 中国产&rdquo 非线性光学晶体。　　深紫外非线性光学晶体问世后，如何将其研制成实用化、精密化激光源，则成为一个棘手的问题。　　KBBF晶体是层状结构，难以切割，而要做到深紫外倍频又必须切割。为此，陈创天携手激光技术专家、中国工程院院士许祖彦，开始摸索解决办法。　　&ldquo 当时中国大陆还没有这方面的实验装置，我们不得不跑到香港科技大学，借用他们的实验室。&rdquo 许祖彦回忆说，两个人窝在实验室里，每天工作到深夜一两点，终于搞出了KBBF棱镜耦合器件。　　该器件在国际上首次实现了1064nm激光的6倍频输出，将全固态激光波长缩短至177.3nm，首次将深紫外激光技术实用化、精密化，并已获中、日、美专利。　　之后两人密切配合，在国际上首次实现KBBF晶体倍频输出深紫外激光，并最终发展出实用化的深紫外固态激光源(DUV-DPL)。　　从此，中国开启了深紫外的时代。　　从激光源到8台装备　　DUV-DPL的研制成功，不仅使得我国激光科技研究突破了200nm以内的&ldquo 深紫外壁垒&rdquo ，实现了实用化、精密化，还极大推进了我国科研人员在激光科技研究领域的继续深入。　　许祖彦形容自己的工作是&ldquo 二传手&rdquo ，&ldquo 跟上游讨论晶体该长成什么样，向下游询问要什么样的激光&rdquo 。　　他花了一年多时间，跑了二三十个实验室，&ldquo 推销&rdquo DUV-DPL。　　深紫外波段(指波长短于200nm的光波)科研装备目前主要使用同步辐射和气体放电等非相干光源。相对于同步辐射而言，在体积方面，配有KBBF晶体棱镜耦合器件的全固态激光器体积变得很小 在能量分辨率方面，比同步辐射提高5~10倍以上 在光子流密度方面，提高了3~5个量级。　　2007年年底，财政部专门设立&ldquo 深紫外固态激光源前沿装备研制&rdquo 项目，对搭建深紫外非线性晶体和器件研制平台、深紫外固态激光器研发平台，以及研制8台新型DUV-DPL科学仪器，予以专项支持。陈创天、许祖彦担任项目首席科学家。　　&ldquo 为使仪器保持领先，科研人员必须不断调整技术方案。为此，总体部还设立了一个工程监理部，这在国内的科研项目中很少见。&rdquo 项目总体部总经理、中科院理化所研究员詹文山说。　　这样一来，经常要&ldquo 推倒重来&rdquo 。身为&ldquo 二传手&rdquo 的许祖彦深有体会：在5年多的时间里，满足了仪器研制人员变更技术方案的多项技术要求，解决了光源与8台仪器对接的工程问题。　　打造自主创新链　　如今，这8台科学仪器已经在石墨烯、高温超导、拓扑绝缘体、宽禁带半导体和催化剂等研究中获得了重要结果。　　以深紫外激光光发射电子显微镜(PEEM)为例，目前国际上最先进的光发射电子显微镜空间分辨率最高为20nm，而采用全固态激光器后能提高到3.9nm。中科院大连化物所利用这台仪器开展了石墨烯/Ru(0001)表面插层反应原位观测，为石墨烯等光电子材料发展和应用提供了强有力的研究手段。　　詹文山透露，目前2mm以下的KBBF晶体已可小批量生产，满足国内市场需求。8台科学仪器中，PEEM正在逐步进行产业化尝试。　　&ldquo 晶体&mdash 光源&mdash 装备&mdash 科研&mdash 产业化，深紫外固态激光源前沿装备研制项目打造了一条自主创新链，涵盖了从提出原创科学思想到实现应用成果这一完整的科学价值链，为学科交叉面广、跨度大、探索性和工程性很强的原创性重大科研装备创新积累了经验，也为中科院各业务管理单元合理分工、深度融合、协力创新提供了典型样本。&rdquo 白春礼评价道。　　&ldquo 这仅仅是深紫外波段仪器应用的开始。&rdquo 许祖彦透露，项目二期将从物理、化学、材料拓展到信息、资环、生命等领域，开展6台国际领先水平的仪器设备研制工作，继续推动深紫外技术的深度开发。　　同时，在一期任务顺利完成基础上，去年中科院理化所联合北京中科科仪等单位，在科技部支持下启动了深紫外仪器设备产业化开发工作，逐步将研制成功的深紫外仪器设备推向市场。

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。

成果名称激光诱导击穿-拉曼光谱分析仪（LIBRAS）单位名称四川大学生命学院分析仪器研究中心联系人林庆宇联系邮箱lqy_523@163.com成果成熟度□研发阶段 &radic 已有样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产合作方式□技术转让 □技术入股 □合作开发 &radic 其他成果简介： 台式LIBS(左)、便携式LIBS（右） 手持式LIBS 技术背景 作为一种激光光谱分析技术，同其他光谱分析技术相比较而言，激光诱导击穿光谱（简称，LIBS）技术具有诸得天独厚的优势，特别是分析速度快，无需样品前处理，多元素同时分析以及所有元素都可测定等优势，这些优势都已经使LIBS技术逐渐成为一种非常流行的元素分析手段，在冶金地质、航空航天等众多应用领域也逐渐得到尝试性的使用。基于上述技术优点，本中心开发了激光诱导击穿光谱系列仪器，包括：台式LIBS系统，便携式LIBS仪器以及手持式LIBS分析仪，相关仪器的样机已展开多次的优化升级，实现了LIBS仪器的国产化突破。但是，虽然LIBS技术有上述众多优点，但是该技术本身却只是一种原子发射光谱技术，利用该技术也只能对被分析样品进行元素分析，获取被分析物质单一的元素构成信息，不能得到相关组成元素的结构信息，因此，利用单一的LIBS技术无法对样品进行全面系统的检测分析。而在地质勘探、石油录井等实际应用需求中，往往不仅仅要求对组成样品的元素进行分析，更重要的是要获取被分析物的结构信息，特别是关于地层岩石的岩性、结构以及矿物种类的综合信息，在这一点上，单纯靠LIBS技术肯定是无法实现的。因此，开发出一种即可实现元素分析，又同时可实现结构鉴定的快速原位光谱分析技术就显得十分重要。Raman光谱作为一种非破坏性的光谱分析技术，是很具吸引力的。该技术利用低能量激光作用于样品表面，通过接收物质所产生的散射光谱，知道物质的振动转动能级情况，从而可以鉴别物质结构、分析物质的性质。Raman光谱技术可以提供快速、简单、可重复、且无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头测量，一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。因此，Raman光谱技术和LIBS技术从仪器构成、光路设计到结果分析等方面都有着诸多相同或相似之处，将这两种技术结合在一起，开发出可同时得到原子光谱、分子光谱的激光光谱分析系统将有非常广阔的应用潜力。仪器先进性LIBRAS仪器可用于分析样品的原子光谱与分子光谱的原位同时分析测量，在获得同一微区位置元素组成信息的同时可以得到分子结构的相关信息，为进一步了解物质结构的微观世界提供了强有力的工具。该仪器作为国家重大科学仪器设备开发专项的自主研发成果，不仅填补了国内技术和行业的两项空白，更一举填补了风冷型高能激光系统的世界空白。目前市场上能够同时获取原子和分子信息的测量仪器十分有限，LIBRAS仪器的成功研制将进一步引领科学仪器的发展方向。LIBRAS仪器实现了激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用技术从理论方法到产品实践的跨越，创造性地将常规联用技术中的激光单脉冲能量进行了数量级的提升。该仪器是世界首款整机系统高度集成且无需水冷装置的多功能联用仪器。而且，仪器的体积小，体重轻，结构紧凑，性能参数卓越。LIBRAS仪器能够更好地服务于地质、生物医学及环境污染监测等多个领域，为相关产业提供有效的原位快速分析新装备，降低分析成本，提高生产效率，彰显了该仪器广阔的市场前景及应用空间。仪器关键技术研发1. 独特的光学设计。采用一套光学系统，实现两种不同波长激发的两种不同类型信号的获取，光学系统内无任何移动镜片组件，结构稳，性能强。2. 创造性的高能风冷脉冲激光系统。采用自主研发风冷脉冲激光器作为LIBS光源，单脉冲能量100 mJ，整机无需水冷，体积紧凑。3. 创造性的实现高能激光器的低压低功耗供电。激光器可采用锂电池供电，使仪器的便携化成为可能。性能指标光斑尺寸：LIBS光路100 µ m；Raman光斑20 µ m；分析距离：40 mmLIBS部分：激光波长1064 nm；脉冲激光能量100 mJ；激光频率1 Hz（可联系激发）；脉冲宽度8-10 ns；光谱接收范围：可全谱接收（200-800选配）；Raman部分：激光波长532nm；能量 20 mW；光谱接收范围：540-750 nm（选配）应用前景：LIBRAS技术是LIBS技术的提升和扩展。由于Raman光谱可以用来研究分子的振动和转动情况，提供物质内部的结构信息，各种简正振动频率及有关振动能级的情况，但在物质所含元素，尤其是次要元素和痕量元素的检测方面，能力及其有限。而在油气开采、地质勘探、冶金、电力生产、环境卫生和深空探测等领域，如果既要检测物质中的主要、微量和痕量元素，也要知晓物质中分子组份和结构信息，单独的Raman技术，以及其他的现有光谱检测技术（比如，电感耦合等离子体发射光谱法、X射线荧光光谱法、气相色谱分析法等）都不能完成任务，只有把LIBS技术和Raman技术有机结合起来才能满足此要求。以油气开采为例：在录井现场完成分析，可以快速的做出解释评价，及时为勘探开发的的决策提供依据，减少了钻井现场等措施的时间，避免决策的失误。通过应用该技术，提高录井解释符合率上升10%以上，每年减少10%试油工作量，仅西南油气田每年可以节约勘探成本5-6亿元人民币。在国内外油气田推广应用，每年可以节约勘探开发成本50-60亿元人民币。降低油气勘探开发成本，扩大油气开发规模，为国民经济的持续发展做贡献。除此以外，例如在冶金、地质等领域，亦可以带来相当巨大的经济效益。知识产权及项目获奖情况：专利1：单脉冲激光源的双波长同轴激光诱导击穿-脉冲拉曼光谱联用系统及方法（发明专利，已提交）；专利2：激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联用仪自动化测控系统（发明专利，已提交）；专利3：激光诱导击穿/拉曼光谱联用分析仪（外观专利，已提交）；其他：LIBRAS仪器入选&ldquo 2014中国科学仪器与分析测试行业十大新闻&rdquo 。

pstrong　　一、 拉曼光谱仪设备的市场展望/strong/pp　　作为在分子光谱领域中发展最快的设备，拉曼光谱仪正在成为当前仪器行业的焦点之一。 在早期阶段，拉曼光谱分析设备一直是高端实验室用仪器的代表 然而随着激光器、CCD检测器等技术的进步，便携和手持式的设备成为了拉曼分析仪器一个新的发展趋势——设备体积越来越小，操作越来越简单，应用也越来越广泛。最近两年，由于安防、海关等领域现场快检的需求增加，国内的便携/手持式的拉曼设备的市场迎来了迅速的增长。我们相信在未来的数年内，随着技术方案的成熟、设备成本的进一步降低以及国家政策法规的完善，公安部门、食品安全、药品检测等几大领域的应用也会逐渐成熟 届时，便携/手持式拉曼光谱仪的应用会出现真正的突破，出现爆炸式的市场增长。/ppstrong　　二、 便携式拉曼光谱仪关键部件概述/strong/pp　　一台完整的拉曼光谱仪通常由激光器(光源)、样品外光路、色散系统、信号接收系统和信息处理系统几大部分组成。strong相对于高端的实验室系统，便携式拉曼设备的内部部件更简单且模块化程度更高，其关键的零部件包括光源模块、光谱仪模块以及拉曼探头三样。仅针对便携式拉曼设备的应用来说，以上几个关键部件国内外厂商的技术水平相差已经不大，国产产品基本能达到国外同类优秀产品的水平，并且具有更高的性价比/strong。在拉曼光谱的核心器件——激光光源领域，近年来国内已经出现了一些优秀的供应商，深圳市大族锐波传感科技有限公司便是其中之一。/ppstrong　　三、 大族锐波拉曼激光光源产品介绍/strong/pp　　深圳市大族锐波传感科技有限公司是一家光电传感领域的高新技术企业，致力于提供高端光电传感产品与系统。公司由上市企业大族激光科技产业集团股份有限公司和海归技术团队于2015年5月共同发起设立，并引入了多家机构投资者注资。公司位于深圳市南山区高新技术产业园，目前注册资本人民币1亿元。大族锐波在传感用高性能半导体激光器领域具有领先的技术与丰富的经验。公司的技术团队曾最早在国内成功开发出应用于便携式拉曼光谱设备的785nm窄线宽半导体激光器，突破国外垄断，且产品的性能指标不逊色于国际同行的同类高端产品。针对当前拉曼光谱分析仪器领域的应用，大族锐波传感推出了以下数款半导体激光器光源产品：/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="785nm窄线宽激光器.png" style="HEIGHT: 291px WIDTH: 300px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201710/insimg/4d1205f6-1aeb-490f-9d65-d5308db26e11.jpg" width="300" height="291"//pp style="TEXT-ALIGN: center"strong785nm窄线宽激光器/strong/ppspan style="FONT-FAMILY: 楷体,楷体_GB2312, SimKai"　　785nm窄线宽激光器是一款基于外腔设计的蝶形封装激光器。由于独特的腔体设计，产品具有非常好的波长温度稳定性、窄谱线线宽、高边模抑制比等特点。该激光器的标准封装是14引脚的蝶形管壳，由Bragg体光栅来实现中心波长的稳定和低温依赖性。其它封装形式也可以根据客户需求提供。该产品非常适用于拉曼光谱、传感、医疗以及其他测量等领域的应用。/span/ppspan style="FONT-FAMILY: 楷体,楷体_GB2312, SimKai"　　除了具有拉曼光谱分析所要求的窄线宽(0.08nm)、稳定波长(785± 0.5nm)输出外，产品可根据客户的需求提供不同规格的稳定功率输出：最高输出功率可达600mW以上 低功耗的型号则具有非常低的阈值电流 (~200mA的阈值电流，指标领先于国外同类器件)，尤其适用于便携或手持式拉曼分析仪的应用。/span/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="785nm窄线宽激光器模块.png" style="HEIGHT: 263px WIDTH: 300px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201710/insimg/1d0a697e-a481-4d13-9149-909bb3b0559e.jpg" width="300" height="263"//pp style="TEXT-ALIGN: center"strong785nm窄线宽激光器模块/strong/ppspan style="FONT-FAMILY: 楷体,楷体_GB2312, SimKai"　　激光器模块内置大族锐波生产的窄线宽激光器，通过专有的电路驱动设计实现稳定快速的激光驱动。该款激光模块体积小，固件升级灵活，具有风冷或无风冷选择、标准USB接口和TTL接口。该产品非常适用于拉曼光谱、传感、医疗以及其他测量等领域的应用。可根据客户的需求提供定制服务，并提供相应的技术支持。/span/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="785nm单模激光器.png" style="HEIGHT: 261px WIDTH: 300px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201710/insimg/1714aca5-30dc-4207-b7ab-5de53a7d34a6.jpg" width="300" height="261"//pp style="TEXT-ALIGN: center"strong785nm单模激光器/strong/ppspan style="FONT-FAMILY: 楷体,楷体_GB2312, SimKai"　　产品基于外腔设计，由Bragg体反射体光栅形成的外腔反馈保证了稳定的中心波长和低温依赖性。由于独特的腔体设计，该款激光器能输出高质量的单模光束，并具有非常窄的谱线线宽和高边模抑制比。高质量的单模高斯光束可以有自由空间窗口输出和单模光纤耦合输出两种输出模式。该产品适用于如拉曼显微光谱分析等领域的应用。/span/ppspan style="FONT-FAMILY: 楷体,楷体_GB2312, SimKai"　　目前我司的数款拉曼光源激光器件及模块产品均获得了客户的认可与好评，主推的785nm窄线宽激光器模块已经被国内领先的拉曼设备生产商采用，应用在其便携式设备之中。/span/ppstrong　　四、 大族锐波未来发展规划及对于拉曼仪器行业的期望/strong/pp　　在拉曼光谱之外的其他领域，大族锐波也陆续推出了多款高性能的传感用激光器产品，如1550nm单频激光器，1064nm单模激光器等。依托海外高层次技术团队拥有的核心技术和大族激光在传感领域的发展战略布局，大族锐波希望以光电传感的关键技术为切入点，研发、设计、生产和销售应用于光学传感、环境监测、工业检测等领域的集成光电传感器产品。公司将在激光器器件及模块产品的基础上不断投入和发展，目标是经过三到五年时间的成长，在国内或国外资本市场上市，进一步发展成为国际光电传感技术的领导企业之一。/pp　　现场快检是仪器行业的一个前景巨大且发展迅速的方向，我们十分看好便携式和手持式拉曼光谱设备在各个快检领域的应用。在该方向，国产的拉曼设备厂商已经开始奋起直追，产品性能和进口设备的差距将越来越小，并且性价比更具有优势。在未来，除了期待拉曼设备厂商在技术上不断进步、追赶达到国外产品的先进水平外，同时也希望针对行业应用的方案商能更好的配合终端用户需求，提供更加成熟的应用解决方案。我们期待能和拉曼领域的各个设备厂家和解决方案提供商进行深度细致的交流，获得该领域的前沿发展方向的信息，尤其是对激光光源产品的改进需求，以便于更加针对性地开发合适的产品，为国产拉曼行业的发展贡献一份力量。/pp style="TEXT-ALIGN: right"（span style="FONT-FAMILY: 楷体,楷体_GB2312, SimKai"市场工程师 王睿/span）/p

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。”