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这些光学科研进展又有新突破!


2020-05-09 405

大能量中红外飞秒涡旋激光方面取得新进展

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在大能量中红外飞秒涡旋激光方面取得新进展。提出了利用空间相位调制结合光学参量啁啾脉冲放大技术产生超强超短涡旋激光的方法,并国际首次实现中红外波段的大能量飞秒涡旋激光输出。相关研究成果在线发表于《光子学研究》(Photonics Research),并被遴选为当期的“Editor’s Pick”文章。与高斯光束相比,涡旋光携带轨道角动量,在量子信息、光捕获和操纵、超分辨率显微等前沿研究领域具有广泛应用价值,尤其是中红外高峰值功率的涡旋激光在驱动高次谐波产生具有轨道角动量的相干X射线方面具有重大应用前景,但利用传统方法难以直接产生高峰值功率的中红外涡旋激光。研究人员利用非线性频率变换的方法获得了中红外4μm波段的高性能种子源,通过特殊设计的相位调控元件获得涡旋种子激光,经过高增益光学参量放大和精密色散控制后,获得了脉冲能量达10 mJ、脉冲宽度为百飞秒量级的中红外涡旋激光。并进一步验证了输出激光的拓扑荷数,证实了该方法对于涡旋特性的高保真度。这种高能量中红外飞秒涡旋激光为强场物理领域提供了一种新工具,并有望进一步扩展到其他波长或者更高峰值功率的涡旋光激光系统,实现相对论强度的涡旋激光,并将极大地推动相关前沿领域的发展。相关工作得到了中国科学院先导B类专项、国家自然科学基金委、上海市科委等项目的支持。

脉冲光抽运原子钟研究领域取得新进展

近期,中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学实验室邓见辽副研究员领衔的脉冲光抽运(POP)原子钟小组,在王育竹院士开创的光抽运气泡原子钟研究基础上,在POP原子钟中长期频率稳定度优化方面取得新进展,相关成果作为编辑精选文章发表于《科学仪器评论》(Review of Scientific Instruments),美国物理研究所出版社(AIP Publishing)的Scilight同时以“A more stable design for a pulsed optically pumped atomic clock”为题报道了这一研究成果。 POP原子钟因其具有体积小、重量轻、频率稳定度高等优点,在卫星导航、精密光谱和高速通信等领域具有非常重要的应用前景。原子钟的共振频率对许多参数的波动很敏感,这使得优化以激光为基础的气泡原子钟(例如POP钟原子)的中长期频率稳定度成为一项亟待解决的挑战性难题。 该项研究中,研究人员首先将分布布拉格反馈(DBR)激光器、饱和吸收光路和声光调制器(AOM)集成到一个275mm×203mm×90mm(长×宽×高)的模块中,提高了激光的频率和功率稳定性。其次将整个物理系统密封在一个由20 L/s的离子泵维持的真空度为4×10-4Pa的真空罐中,从而显著减小气压效应对原子钟频率稳定度的影响。再次将交流温控电路驱动的加热膜贴在微波腔上使微波腔的万秒温度稳定度达到31μK,减小了温度相关缓冲气体频移的影响。最后采用PXI平台提高了原子钟伺服控制系统的精度和可靠性。采用上述改进措施后POP原子钟万秒频率稳定度达到4.7×10-15,与目前国际上最高水平的POP原子钟相当。 课题组掌握了高精度气泡原子钟的关键技术,在进一步解决物理系统、光学系统和控制系统小型化和可靠性的基础上有望研制出高性能气泡原子钟工程样机。 相关工作得到了国家自然科学基金委、上海光机所自主部署项目的支持。

提出一种基于透明胶带的激光诱导荧光漂白实现超大容量光存储的新方案

近日,中国科学院上海光学精密机械研究所微纳光电子功能材料实验室和华中科技大学合作,提出一种基于透明胶带的激光诱导荧光漂白实现超大容量光存储的新方案,相关研究成果于3月12日在线发表于《光学快报》(Optics Letters)。目前,数据存储主要依赖于磁储存技术,但是存在容量低、寿命短、能耗高的缺点,而光存储能够克服上述三种缺点。为提升光存储的容量,目前研究主要集中在多层存储以及减小记录点方面,虽然在一定程度上可以提升存储容量,但是始终有限。寻找新的实现超大容量光存储的方案是科研人员研究的方向和重点。研究团队提出一种基于透明胶带的激光诱导荧光漂白实现超大容量光存储的新方案。利用兼具无色和荧光特性的聚集诱导发光(Aggregation-induced emission, AIE)材料四苯基乙烯配置饱和溶液,将去掉胶后的一小块透明胶带浸泡其中,并用超声振荡的方式让四苯基乙烯尽可能多的溶解。实验发现,在室温环境下浸泡一段时间并清除掉表面所沉淀的染料分子后,四苯基乙烯分子由于分子热运动会扩散到透明胶带内部,利用激光诱导双光子荧光漂白可实现数据记录。实验中记录了6层10*10的二进制数据点阵,并利用共聚焦显微镜进行数据读取,其中,不同的颜色代表了不同的存储深度。该成果首次将AIE材料成功应用于光存储,进一步拓宽了AIE材料的应用领域。同时,由于透明荧光胶带具有体积小、可制作长尺寸等特点,可实现超大容量光存储。相关研究得到了国家科技部重点研发项目、上海市科委、深圳市科学技术创新委员会、国家自然科学基金以及NSFC创新研究组项目的支持。

提出一种基于全固态激光器的谐振光束实现无线充电的新方案

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同济大学电子与信息工程学院研究人员合作,提出一种基于全固态激光器的谐振光束实现无线充电的新方案,实现2瓦电功率、2.6米无线能量传输。相关成果发表于《物理网杂志》(IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL)。随着物联网技术的发展,物联网设备的电量供给成为了制约物联网发展的障碍之一。物联网设备的电池容量和供电之间的矛盾也愈加显著。因此,为物联网设备提供随时随地无线能量传输的技术受到了研究者的广泛关注。现有的无线能量传输技术主要有两种:近场无线能量传输与远场无线能量传输。近场无线能量传输技术主要有磁感应和磁共振。远场无线能量传输技术主要有射频、超声波、激光等。但是由于技术限制,现有的无线传能技术均无法同时实现安全、远距离、高功率的无线能量传输。在该项研究中,研究人员提出利用全固态激光的腔内光作为无线能量传输媒介的谐振光束充电技术,可以安全的传输数瓦的无线功率到数米的距离。谐振光束充电技术具有本征安全性,一方面,传输通道内一旦有异物遮挡可以自动切断能量的传输;另一方面,传输通道外的生物不会受到能量泄露的影响。此外,谐振光束充电系统还可实现自动对准和同时多路输出。研究人员提出了谐振光束充电能量传输通道的解析模型,并分析了谐振光束充电系统的连续、稳定运转条件以及工作距离内的能量传输效率;建立了谐振光束系统的测试平台,在输出光功率为10.18W的条件下,实现了2W的电功率传输到最远2.6m的距离;在实验和理论上对谐振光束充电系统的传输距离、传输效率、输出电功率等性能进行了评估。通过进一步提升谐振腔的可移动性,该技术有望广泛应用于手机等电子器件的远程无线充电中。

在反谐振空芯光纤材料损耗理论研究方面取得新进展

近期,中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术实验室研究团队在中红外波段反谐振空芯光纤基础研究中取得新进展。团队围绕光纤材料吸收引发空芯光纤传输损耗这一光波导基本问题开展了深入理论研究,建立了国际首个空芯光纤材料损耗的解析模型,并利用该模型预测了石英基玻璃材料在4微米中红外波段的损耗极限。相关研究成果于4月7日发表于《光学快讯》(Optics Express)。
近年来,反谐振空芯光纤(AR-HCF)因其宽带、低损的传输特性获得广泛关注。由于绝大部分光被限制在空气芯中,反谐振空芯光纤能够极大克服基体材料本身吸收的影响,显著降低材料损耗。目前使用石英玻璃制备反谐振空芯光纤,在4微米波长实现了0.04 dB/m的传输损耗,而该波长石英材料吸收超过800 dB/m。该项研究中,研究人员从Snyder和Love的经典光波导理论出发,将模态重叠因子的概念推广至空芯光纤领域,严格推导出模态重叠因子的半解析表达式,用于表征空芯光纤的材料吸收对于传输损耗的贡献。研究将半解析表达式计算结果与有限元方法数值计算系统比较,证明了该模型的精确性与有效性。此外,还系统探讨了高材料吸收条件下低损反谐振空芯光纤的优化设计原则,对中红外波段石英基反谐振空芯光纤的传输极限进行了预测。相关研究得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、中科院前沿科学重点研究计划的资助。

“神光Ⅱ”升级装置物理实验取得重要成果

近日,中国科学院上海光学精密机械研究所“神光Ⅱ”升级(SGⅡU)高功率激光物理综合实验平台上开展的快点火集成实验取得了重大突破, 相关成果以“Enhanced energy coupling for indirect-drive fast-ignitionfusion targets”为题发表于《自然-物理》(Nature Physics)。该研究成果由中国工程物理研究院激光聚变研究中心、北京应用物理与计算数学研究所、中物院研究生院、国防科技大学、北京大学、深圳技术大学和中科院上海光机所联合组成的激光聚变研究团队共同完成,开展的间接驱动高增益激光聚变快点火实验获得了国际较高水平的内爆中子产额。“神光Ⅱ”升级装置作为我国首个支持激光惯性约束聚变(ICF)快点火研究的物理实验平台,经过近十年的技术攻关,于2016年进入试运行阶段,2017年圆满完成综合性能验收,进入正式运行。该装置由八路万焦耳级纳秒激光束线和一路千焦耳级皮秒激光束线组成。纳秒万焦耳激光束具有脉冲任意整形、焦斑匀滑等全域精密调控能力。皮秒短脉冲激光束具有焦斑<25μm,聚焦功率密度>1019W/cm2,信噪比>108,脉宽在0.5~10ps范围内任意可调的高功率密度输出能力。凭借良好的输出性能,“神光Ⅱ”升级装置可实现高能量、高聚焦功率密度、高瞄靶精度、高同步精度、超短超强脉冲与大能量纳秒脉冲组合打靶的实验能力,满足物理用户复杂的实验需求,目前广泛服务于激光聚变快点火、新型驱动方案探索研究、实验室天体物理、地球物理、材料物理、强激光驱动粒子束、激光医学、高能量密度物理、等离子体物理等前沿基础研究,并取得了一系列重要成果。此次物理实验是激光聚变联合研究团队在“神光Ⅱ”升级装置上创新性地采用间接驱动方式对靶丸进行预压缩,克服了传统快点火用激光直接烧蚀靶丸的诸多缺陷,而后利用大能量皮秒脉冲激光束进行快加热,最终获得的内爆中子产额增加了约280倍,显著提升了中子的产生效率。

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这些光学科研进展又有新突破! 2020-05-09

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