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2017年激光领域十大技术进展

发布时间: 2018-01-19 10:10     来源: OFweek激光网

我们都知道,除了在工业应用之外,激光技术在科研、生物医疗、通信等诸多领域都有广泛应用,对于人类科技发展起到了巨大推动作用。为此,OFweek激光网编辑也为您梳理2017年激光领域十大技术进展(排名不计先后):

一、科学家开发出世界首个光电子神经形态芯片

来自美国普林斯顿大学的科研团队研制出了全球首枚硅光子神经形态芯片,并证明其能将运算速度提高近2000倍,有助于推动面部识别、对象识别、自然语言处理、机器翻译等人工智能技术应用的发展。

科研团队将这种新型芯片的每一个节点以微型圆形波导的形式蚀刻进一个硅基座内,使光可在其中循环。当光被输入节点,就会调制在节点阈值处工作的激光器的输出,而激光的输出会被反馈回节点,从而创造出一个拥有非线性特征的反馈电路。关于这种非线性能模拟神经行为的程度,研究人员已证明其输出在数学上等效于“连续时间递归神经网络”。研究人员使用由49个光子节点组成的芯片网络对神经网络进行了模拟演示,并将其用于解决微分方程的数学问题,发现相较于普通的CPU,这种硅光子神经形态芯片能将运算速度提升1960倍。

二、世界最强X射线激光制造出“迷你黑洞”

最强的X射线激光对于探究物质内部结构及作用起到了重要作用,而各国科学家也在该领域探索更多未知领域。

堪萨斯州立大学的研究人员惊奇地发现,当他们用世界上最强的X射线激光轰击单个分子时,出现了一个“迷你黑洞”。这束强烈的激光从内到外摧毁了分子,只留下一个空洞,类似太空中的黑洞。研究人员希望,这一出乎意料的结果或许将推动病毒和细菌的整体成像技术发展,并帮助科学家开发新型药物。

当用直线加速器相干光源(Linac Coherent Light Source,LCLS)照射分子时,在30飞秒(千万亿分之一秒)内,这个分子失去了超过50个电子,导致其发生爆炸。LCLS常用于生物学个体——包括病毒和细菌——的成像。研究人员希望通过这个分子黑洞的实验结果,可以更好地利用这种激光,进行更多有价值的实验。

三、激光使电子设备不再依赖半导体材料

相信大家都听说过“摩尔定律”,其极大地推动了半导体工业的发展和进步,然而现在也将面临着物理极限。面对这种困境,美国科学家们或许找到了B方案。

来自美国加州大学圣地亚哥分校科学家开发了一种新型微电子设备,未来PC中由半导体材料制造的处理器可能被取而代之。工程师开发了一种由光控制的微电子设备,其中包含由金纳米管构成的超颖表面。受到激光照射后,超颖表面能产生高强度电场。

这种不采用半导体材料的新型微电子设备,或许将解决现代微处理器所面临的一个难题。处理器依靠电子迁移正常运行,问题是,这些电子会不断与原子碰撞,其中许多电子可能迁移不到它们的目的地——在处理器运行过程中,许多电子损耗了。

这种新型微电子设备通过“模仿”老式真空管——当然是在微尺度上,尝试解决这一问题。设备中的蘑菇形状纳米管,在硅晶圆上形成超颖表面,两者用二氧化硅层隔开。当施加低直流电压、照射低能量红外激光时,这一结构就能够产生高强度电场,使电子能“自由”迁移。

四、新型激光写入技术升级石墨烯结构

众所周知,石墨烯可用于制造多种电子、光电器件,更有科学家预言石墨烯将“彻底改变21世纪”,有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

芬兰于韦斯屈莱大学和中国台湾的研究人员们共同发现能够通过激光写入技术改变石墨烯碳原子二维结构锻造成三维物体,并且石墨烯三维结构物质具有强烈的稳定性,表现出与二维结构不同的电学和光学特性。该工艺应用类似于用激光束“锤子”将金属锻造成三维形态。 最后通过实验和计算机模拟,观察了解石墨烯碳原子二维结构升级到三维形状的真实性及其形成机制。

自然界中,结构决定性质,毫不例外石墨烯的结构特点决定了石墨烯具有薄且坚硬,透光度好,导热性强,导电率高,结构稳定,电子迁移速度快等特性。业界认为,石墨烯在电子应用过程中,根据其层数一般可以分成单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯。因为石墨烯的优异性能会随着层数的增加显著下降,超过多层便不具备石墨烯材料的优异性能,在电子器件升级中也就失去了石墨烯的应用优势。此次二维到三维结构的升级为石墨烯应用开拓了新的应用方向。

五、集成硅光工艺有望大规模制造III-V族/硅混合激光器

法国原子能委员会电子与信息技术实验室利用新型硅光子工艺新研发的分布反馈式(DFB)激光器,结合了大规模集成电路技术,该分布式反馈(DFB)发射器的最大输出功率为4 mW,其边模抑制比(SMSR)为50分贝。

在室温下进行的连续电动测试中,该激光器件在1300nm的波长处产生高达4 mW的输出功率,其中边模抑制比为50dB表明了良好的光谱纯度。虽然输出功率随施加的驱动电流的增加而变化,但激光阈值电流在50 mA至65 mA之间都是稳定的。

该混合激光器首次将完全CMOS兼容的200mm晶圆集成到混合III-V/Si分布反馈式激光器中,实验采用创新的激光电触点方法,没有使用一体化剥离。研究团队使用了局部硅增厚,在III-V材料增益部分下方制造了500nm厚的硅层。在使用深紫外(DUV)平版印刷术将布拉格光栅图案化到增益区域下方的加厚硅波导区域中之后,承载混合装置的关键元件的单个绝缘体上硅(SOI)和磷化铟(InP)与氧等离子体表面活化结合。本次利用晶圆制造工艺III-V族/硅混合激光器让激光器技术实现大规模生产成为可能。

六、激光写入成就微电子下一场革命

在硅光子应用中,进行3D激光写入将可能大大改变硅光子学领域中设计和制备的方法。而硅光子学则被视为微电子学的下一场革命,影响着激光在芯片级别的最终数据处理速度。

来自于法国、卡塔尔、俄罗斯和希腊的科学家在实验中发现,飞秒激光器即使将激光能量提高到技术上的最大脉冲强度在结构上仍然无法对体硅进行处理。不过,将飞秒激光器替换成超快激光时,在诱导体硅结构操作中没有受到物理上的限制。他们还发现激光能量必须以快速的方式在介质中传输,以便使非线性吸收的损失最小化。原来之前工作时遇到的问题源于激光器的小数值孔径(NA),也就是激光传输聚焦时可以投射的角度范围。科研人员通过采用硅球作为固体浸入介质解决了数值孔径问题。当将激光聚焦在球体的中心时,硅球完全抑制折射大大增加数值孔径,从而解决了硅光子写入问题,这一3D激光写入技术的研发为微电子学打开了新世界的大门。

七、科学家突破光学显微成像分辨率极限

美国科罗拉多州立大学科学家演示了一种空间分辨率达2η(η是非线性光强反应单位最高级)的多光子—空间频率调制成像(MP-SPIFI)技术,突破了光学显微成像分辨率极限。

研究人员在发表于美国《国家科学院学报》的论文中首次证明,多光子荧光和二次同步谐波都能实现超分辨率,二者结合使用时,两个光子被猝灭,发出一个两倍频率的光子。他们还开发了专门的多光子—空间频率调制成像显微镜,以HeLa细胞和碲化镉太阳能电池为样本,通过荧光和二次谐波同时收集图像信息,产生了纳米级图像,空间分辨率达到2η,超过传统的多光子显微镜。

八、我国超强超短激光实验装置研制获重大突破

上海超强超短激光实验装置(SULF)的研制工作取得重大突破,成功实现了10拍瓦激光放大输出,达到国际同类研究的领先水平。研究人员解决了大口径高增益激光放大器、高性能激光泵浦源、宽带高阶色散精密控制和增益窄化抑制等关键科学技术问题,国际上首次实现了300焦耳以上能量水平的宽带(半高全宽达到70纳米)激光放大输出。

值得一提的是,其中10拍瓦激光主放大器采用的钛宝石晶体直径达235毫米,由上海光机所自主研制,这是我国首次研制成功并获得激光放大的口径超过200毫米的激光晶体,也是目前已知国际最大口径的激光放大晶体。

九、激光新技术使石墨烯工业化成为可能

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料,然而其产业化一直是个难题。

西班牙AIMEN技术中心的研究人员,通过短激光脉冲诱导石墨烯的化学晶格发生变化。单个激光脉冲的持续时间仅有几秒,石墨烯中的极性分子会像水波那样产生一个持续的振荡。研究人员发现,在振荡过程中,可以通过切割石墨烯晶格,把外部分子或所需的化合物添加到石墨烯中。激光的光斑可以集中在一个边长为1微米的正方形中或面积更小的区域,这样就能高精度地控制整个添加过程。

在新技术工作过程中,大量的石墨烯可在高速度、高精度条件下被裁剪,这为石墨烯的广泛应用开辟了新的途径。运用这项技术,绘制微米大小的石墨烯的速度将超过每秒1米。

此外,这项技术还展现了通过调整激光的变化来控制热量吸收的化学过程。在低能量输出的条件下,多光子吸收在碳和大气分子的化学反应之间起主导作用,从而赋予石墨烯新的光学特性,这也有助于通过改变石墨烯的光学潜力,使其更加功能化。

研究人员称,这项技术在工业领域的表现还有待进一步验证。目前的研究是基于工业生产的考虑,目的在于深入研究石墨烯在化学和物理变化中的可行性,同时尝试用电子设备程序来控制其工业生产。

十、黑磷可用于新型激光器和光电子器件的制造

在激光器领域,除了不断完善性能表现之外,研究人员也在材料及结构方面持续突破,以期开发更多类型新型激光器。剑桥研究人员发现了喷墨打印的突破性“配方”,可以实现下一代激光器和光电子技术的大批量生产。

由剑桥大学石墨烯中心Tawfique Hasan博士带领的研究发现,黑磷(BP)油墨是一种与石墨烯相似的独特二维材料,与传统的喷墨打印技术相兼容,使其可能成为实现首次基于BP的激光器和光电子器件的可扩展大规模制造。

来自剑桥、伦敦帝国理工学院、芬兰阿尔托大学、北京航空航天大学以及浙江大学的跨学科科学家团队精心优化了BP的化学成分,以便通过复杂和竞争的流体效应的平衡来实现稳定的油墨。这样一来,便能够通过高速打印生产新的功能激光器和光电子器件。

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