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[转载]激光器的倍频、OPA、OPO及THz太赫兹产生原理
zgsheng 2012-5-9 14:14
在激光器中利用非线性晶体,就可以产生 SHG/THG/FHG 倍频、 OPO 光学参量振荡、 OPA 光学参量放大、 THz 太赫兹等激光,它们的产生原理如上两图所示,就是满足能量守恒原理,其中 SHG 二倍频产生是 SFG 和频产生的一个特例, DFG 为差频产生, OPA 光学参量放大与 OPO 光学参量振荡是 OPG 光学参量产生的两个具体例子。 左图的光子 角频率 ω 以及右图的光子频率 f 都与光子的能量成正比,都代表光子的能量,光子的能量公式为 E= ?ω=hf=hc/λ ,波长越短,光子能量越高 ,其中 约化普朗克常数 ? 、 普朗克常数 h 、光速 c 都是常数, 角频率 ω= 2 π f ,光子的波长 λ =c /f 。 一、激光器的 SHG/THG/FHG 倍频、 SFG 和频、 DFG 差频产生 SFG 和频产生原理: 激光倍频属于 SFG 和频产生的一种, SFG 和频产生原理为两个低能量光子合成一个高能量光子,总能量守恒以及 动量守恒 , ω 1 + ω 2 =ω 3 , 1/λ 1 + 1/λ 2 =1/λ 3 比如 SHG 二倍频产生 1 / 1064nm+ 1 / 1064nm =2 / 1064nm→ 1 / 532nm , THG 三倍频产生 1 / 1064nm+ 1 / 532 nm =3 / 1064nm→ 1 / 355 nm , FHG 四倍频产生 1 / 532 nm+ 1 / 532 nm =4 / 1064nm→ 1 / 266 nm DFG 差频产生原理: 一个高能量光子和一个低能量光子相互作用后产生另一个低能量光子 , ω 1 - ω 2 =ω 3 , 1/λ 1 - 1/λ 2 =1/λ 3 比如: 1 / 532nm - 1 / 810nm = 1 / 1550nm 倍频原理: 二倍频产生 (SHG) 是和频中一个特别例子,如当两束入射光波长相同时 2 ω 1 = ω 3 ( 波长 λ 1 = 2 λ 3 ) 。 倍频晶体: 目前常用的倍频非线性晶体有 KTP 晶体、 KDP 晶体、 KD*P 晶体、 LiNbO3 晶体、 BBO 晶体、 LBO 晶体、 PPLN 晶体 等。 倍频方式: 首先可根据倍频晶体放置的位置 ―― 激光谐振腔内或腔外,分为腔内倍频和腔外倍频两种。 由于倍频晶体的阈值很高,因此要获得高的倍频效率,基频波的功率密度要足够高。这样对连续或者高重复频率的激光器,一般均采用腔内倍频方式。如 Photonics Industries 采用 LD 泵浦的 DS 型 Nd:YVO4 绿光 激光器,两个谐振腔镜对基频波(波长为 1064nm )都镀高反膜,而对二次谐波(波长为 532nm )有一定的耦合输出,这样腔内的基频波功率密度就非常高,就能获得极高的二次谐波转换效率。当 LD 泵浦功率为 80W 时,可获得 16W 的 100kHz 532nm 绿光输出。 当基频波为调 Q 激光脉冲或锁模激光脉冲时,由于其峰值功率很高,比如几十兆瓦,此时采用腔外倍频,腔外倍频时激光只通过晶体一次,既可获得很高的二次谐波转换效率,且装置十分简单。如 Th ales Optronique 的 SAGA 激光器 采用 KTP 或 BBO 倍频晶体,对波长为 1064nm ,脉宽为 10ns ,脉冲能量为 2.3J 的基频波进行倍频,即可获得 1.5J 的 532nm 绿光输出,倍频效率可达到 65% 以上。 相位匹配方式: 根据光的偏振态相位匹配可以分为两种类型,如在和频时,两束入射光的偏振方向是平衡时, 我们称之为第一类相位匹配,如是互相垂直则为第二类相位匹配。相位匹配在非线性效应的应用中起着十分重要的作用,实现相位匹配的方法有角度匹配、温度匹配及准相位匹配三种。 角度匹配与 温度匹配 指在特定的角度和温度时非线性效率最高,四倍频晶体对温度要求非常高,比如 JPSA 的 IX-210 LED 激光划片系统采用的 266nm DPSS 激光器,其中 532nm SHG 晶体温度为 64 ? C , 266nm FHG 晶体温度为 170 ? C ,并且将 FHG 晶体分为 25 个工作点,通过定期换点能够延长使用寿命。 准相位匹配(Quasi-phase-matching)相 比 通常的完美相位匹配(温度匹配,角度匹配),能更容易利用较大的非线性系数 ,比如 周期性极化铌酸锂( P eriodically P oled L ithium N iobate)PPLN 晶体 可用于倍频、差频、和频及光学参量振荡和光学参量放大等。 二、 激光 器的 OPA 光学参量放大、 OPO 光学参量振荡 及 THz 太赫兹产生 OPG 光学参量产生原理 : OPA 光学参量放大、 OPO 光学参量振荡属于 OPG 光学参量产生的一种, OPG 光学参量产生是和频的反过程,例如 355 nm → 532 nm + 1064 nm ,它是将一个高能量光子 ( 泵浦光 λ p ) 分裂为两个低能量光子 ( 信号光 λ s 和闲频光 λ i ) , 满足能量守恒 ω p = ω s + ω i , 1/λ p =1/λ s +1/λ i ( λ p λ s λ i ) OPA 光学参量放大: 只对信号光放大,没有谐振腔,泵浦光源峰值功率高,多为皮秒、飞秒激光。具体还有 NOPA 非共线光学参量放大、 OPCPA 光学啁啾脉冲参量放大。 OPO 光学参量振荡: 既对信号光放大,又有谐振腔,泵浦光源峰值功率较低,多为 CW 、纳秒、皮秒、飞秒激光。 光学参量振荡器( OPO )被认为是获得传统激光器所达不到的光谱范围内的相干光的理想光源。一台 OPO 就可以在近紫外( near-UV )到中红外( mid-IR )的宽光谱范围中获得连续可调谐的输出,同时 OPO 还具有全固态设计、高效率和具有可观的输出功率等优点,而且从时间域上 OPO 可以连续( CW )输出或者输出皮秒、飞秒等超短脉冲。 THz 太赫兹产生 : THz 光源为辐射波长 在 30 μm~ 1mm 之间的光源,即 频率在 0.1THz ~ 10T Hz 范围的电磁波,介于微波与红外之间, 它可以穿透到器官组织的内部而不会像 X 射线那样造成损伤,也能够将有机组织与不断变化的水成份区分开来, 能够穿透非金属材料,从而为安检、医学成像提供新的手段,在物体成像、医疗诊断、环境检测、通讯等方面具有广阔的应用前景。 太赫兹产生有几种方法:固体激光器 +OPO 光学参量振荡、半导体激光器 +DFG 差频、 CO2 泵浦的 FIR 远红外气体激光器、飞秒激光器 + 光电导开关、飞秒激光器 + 光整流、 半导体量子级联激光器等 。 上面是英国 M Squared 公司的 Firefly-THz 的太赫兹产生原理图,这一 THz 光源采用非共线相位匹配的 OPO 光参量产生技术研制而成,能够产生 1W 的峰值功率和 10 μ W 的平均功率。 1 / 1 .064 μ m =1 / λs+1 / λi 当 λs = 1 .075 μ m 时, λi =100 μ m 即 3 THz ;当调节 λs = 1 .069 μm 时 , λi =250 μm 即 1.2 THz ; 最后可得到 1.2 THz ~ 3 THz 范围内可调谐的纳秒脉冲的太赫兹激光。 转自 http://etsc-tech.blog.163.com/blog/static/130779851201072344828169/
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[转载]美军先进激光器6年内上舰, 可拦截导弹
laserdai 2012-5-4 20:02
美国华尔街日报发表文章称,面对对手的远程精确制导武器,美国正在寻求以高科技来进行防御。美海军专家表示,海军在6年内可在战舰上使用固体激光器,功率足以应对伊朗等国的反舰巡航导弹、无人机和快攻机群。同样在6年内,空军和陆军还可应用地基兆瓦级化学激光器,保护在波斯湾和西太平洋的重要基地。 文章指出,二十年来,从第一次海湾战争到最近的轰炸利比亚行动,美军在部署和补给部队方面几乎不曾面临困难。美国的竞争对手和潜在敌人——从中国到真主党——已经注意到了这种情况,正在努力寻求远程精确制导武器,通过在机场、港口和补给站周围建立大量“猎杀区”,威胁美军。这种威胁远比美军在阿富汗和伊拉克遭遇的路边炸弹难以应付。虽然五角大楼清楚这一威胁,但应对这种威胁的方法很老套而且代价很高。在面临预算削减的时候,五角大楼却仍在继续强调用价值数百万美元的拦截器拦截敌方廉价的导弹和火箭,这使得美军在成本竞争处于不利地位,而对手则乐见态势继续。   文章称,美军有办法可以更有效地保卫自己免受袭击,增加敌人的打击成本。其中一种解决方法是袭击对手地面上的火箭和导弹发射器,在武器发挥效力之前摧毁它们。然而,这样的“压制”攻击需要找到并摧毁高度机动的导弹发射器、大炮和迫击炮部队,这是个很大的挑战。另一种更好的补充办法是利用高科技,大幅降低打击成本——即新一代高功率激光器。之前的高功率激光武器原型或效力不足,或过于笨重,或两个缺点都有。最近一架改装为军用的波音747所搭载的一种化学激光武器被取消,这是激光武器未能实现目标的最新例子。或许和在19世纪末的几十年中未发挥作用,而在一战时迅速成为强大武器的潜艇和鱼雷一样,激光武器最终也会进入全盛时期。   文章指出,最近固体激光器技术取得巨大进步(意味着激光器可通过固体或纤维而非液体或气体,产生致命光束),以非常低的单位发射成本产生了很高的功率水平,与单价可能超过1000万美元的传统导弹拦截器形成了鲜明对比。美国海军专家称,六年内使用已经研发出来和在试射中验证的技术,他们可在战舰上使用固体激光器,功率足以应对伊朗等国的反舰巡航导弹、无人机和快攻机群。这些激光器能够减少战舰携带的笨重且昂贵防御弹药,为其他武器腾出空间。和固体激光器一样,新型化学激光器能够产生比其前几代更大的功率输出,能够应对大量空中与导弹威胁,包括远程弹道导弹。同样在六年内,使用为机载激光器研发的技术,空军和陆军可应用地基兆瓦级化学激光器,帮助保护在波斯湾和西太平洋的重要基地。   文章称,当然,激光武器也有局限性。恶劣天气会减少其有效性(许多其他武器也是如此),而且猎杀弹道导弹弹头等困难目标将需要多兆瓦激光器功率。不过,结合压制攻击和传统防御,高功率激光器能够大幅提高军队防御,减少成本,同时也使得敌方的计划变得更加复杂。其他国家——特别是俄罗斯和中国——看到了这些武器全新的潜力,并且正在积极投资于这些武器。而五角大楼计划削减该领域的研究资金,虽然目前这一领域的投资每年稍多于5亿,但在其他传统空中和导弹防御方面的投资远超过100亿美元。由于需要增加竞争对手的成本,同时减少美国自身成本,这种不平衡会令美军更加担忧。国防部称正在努力保持技术优势,其新战略指导称,“维持可能提供重要长期收益的的关键创新流是当务之急。”不幸的是,国防部长里昂·帕内塔或国会的推动力不足,高功率激光器似乎不大可能在不久后的某个时间从实验室阶段进入生产。如果这样,美军会像在阿富汗和伊拉克一样,只能再次对威胁做出回应,而无法在威胁出现之前行动。 http://www.laserfair.com/jg/news/20120504/18868.html http://mil.huanqiu.com/Observation/2012-05/2686760.html
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科技新闻媒体关注指数排行榜
kejidaobao 2012-4-17 13:35
(新闻时段:2012-03-11至2012-03-20;★为新闻关注度,☆为★/2) 中微子第三种振荡模式引巨大关注 16日,Science杂志报道了大亚湾实验发现的第三种中微子振荡模式,并称此成果是中国物理学史上最重大的研究进展。 “嫦娥三号”将携带国产月球车登月 11日消息,“嫦娥三号”卫星系统总指挥叶培建院士表示:“嫦娥三号”探月卫星有望于明年携带首辆国产月球车,登陆月球虹湾区。 “中微子超光速”系误差所致 16日,欧洲核子研究中心公布最新测量结果显示,2011年9月“中微子振荡实验”中,中微子运行速度并未超过光速,原测量结果存在误差。据悉,欧洲核子研究中心将在2012年5月进行新一轮“中微子振荡实验”,以期给出准确答案。 建波长可调极紫外自由电子激光 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。 “嫦娥三号”任务转入正样研制 13日消息,经探月工程重大专项领导小组审议,探月工程二期“嫦娥三号”任务,由初样研制正式转入正样研制,预计2013年发射,将进行月球软着陆探测与月面巡视勘察。 建成世界最先进地壳运动观测网络 14日,“中国大陆构造环境监测网络”通过国家验收。验收委员会认为,从规模、精度水平看,该网络与美国PBO和日本GEONET一同成为世界上性能指标最先进的三大地壳运动观测网络。 高分辨率对地观测系统进入全面建设阶段 15日,中国重大科技专项之一“高分辨率对地观测系统”已进入全面建设阶段。目前各系统研制和试验任务正在顺利进行,计划2013年开始陆续研制发射新型卫星并投入使用,至2020年前后建成全系统。 首例“芯片试管婴儿”诞生 12日,一名3公斤重的“芯片试管婴儿”在郑州大学第一附属医院诞生,据报道,经过几天的体检和观察,目前该女婴状况良好。 建成世界速度最快高速列车制动试验台 11日,中国铁道科学研究院研究员李和平对媒体表示,中国已建成世界速度最快的高速列车制动试验台,最高试验速度达到530公里/小时。与此同时,中国铁道科学研究院研制的高速制动盘和闸片也通过了530公里/小时的试验台试验。 阿塞拜疆首颗通信卫星年底升空 16日,阿塞拜疆总理拉西扎德在国家议会发表政府去年工作报告时说,阿塞拜疆首颗通信卫星将于2012年底发射升空。据悉,阿塞拜疆通信和信息技术部2010年与欧洲阿丽亚娜空间公司签订了发射阿首颗通信卫星“Azerspace”的合同,合同价值9300万美元。 (责任编辑 高靖云(实习生),李娜)
个人分类: 栏目:科技新闻排行榜|2625 次阅读|0 个评论
[转载]DFB激光器的波长调谐
lzy827 2012-3-11 21:54
可调谐激光器tunable laser 是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器(见激光)。这种激光器的用途广泛,可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。 简介   实现激光波长调谐的原理大致有三种。大多数可调谐激光器都使用具有宽的荧光谱线的工作物质。构成激光器的谐振腔只在很窄的波长范围内才有很低的损耗。因此,第一种是通过某些元件(如光栅)改变谐振腔低损耗区所对应的波长来改变激光的波长。第二种是通过改变某些外界参数(如磁场、温度等)使激光跃迁的能级移动。第三种是利用非线性效应实现波长的变换和调谐(见非线性光学、受激喇曼散射、光二倍频,光参量振荡)。属于第一种调谐方式的典型激光器有 染料激光器 、金绿宝石激光器、色心激光器、 可调谐高压气体激光器 和可调谐准分子激光器。   可调谐激光器从实现技术上看主要分为:电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。   其中电控技术是通过改变注入电流实现波长的调谐,具有ns级调谐速度,较宽的调谐带宽,但输出功率较小,基于电控技术的主要有SG-DBR(采样光栅DBR)和GCSR(辅助光栅定向耦合背向取样反射)激光器。温控技术是通过改变激光器有源区折射率,从而改变激光器输出波长的。该技术简单,但速度慢,可调带宽窄,只有几个nm。基于温控技术的主要有DFB(分布反馈)和DBR(分布布喇格反射)激光器。机械控制主要是基于MEMS(微机电系统)技术完成波长的选择,具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB(分布反馈)、ECL(外腔激光器)和VCSEL(垂直腔表面发射激光器)等结构。下面从这几个方面可调谐激光器的原理进行说明。 基于电流控制技术   基于电流控制技术的一般原理是通过改变可调谐激光器内不同位置的光纤光栅和相位控制部分的电流,从而使光纤光栅的相对折射率会发生变化,产生不同的光谱,通过不同区域光纤光栅产生的不同光谱的叠加进行特定波长的选择,从而产生需要的特定波长的激光。   一种基于电流控制技术的可调谐激光器采用SGDBR(Sampled Grating Distributed Bragg Reflector)结构。   该类型的激光器主要分为半导体放大区、前布喇格光栅区、激活区、相位调整区和后布拉格光栅区。其中前布喇格光栅区、相位调整区和后布喇格光栅区分别通过不同的电流来改变该区域的分子分布结构,从而改变布喇格光栅的周期特性。   对于在激活区(Active)产生的光谱,分别在前布喇格光栅区和后布喇格光栅区形成频率分布有较小差异的光谱。对于需要的特定波长的激光,可调谐激光器分别对前布喇格光栅和后布喇格光栅施加不同电流,使得在这两个区域产生只有此特定波长重叠其他波长不重叠的光谱,从而使需要的特定波长能够输出。同时该种激光器还包含半导体放大器区,使输出的特定波长的激光光功率达到100mW或者20mW。 基于机械控制技术   基于机械控制技术一般采用MEMS来实现。一种基于机械控制技术的可调谐激光器采用MEMs-DFB结构。   可调谐激光器主要包括DFB激光器阵列、可倾斜的MEMs镜片和其他控制与辅助部分。   对于DFB激光器阵列区存在若干个DFB激光器阵列,每个阵列可以产生带宽约为1.0nm内的间隔为25Ghz的特定波长。通过控制MEMs镜片旋转角度来对需要的特定波长进行选择,从而输出需要的特定波长的光。   另一种基于VCSEL结构ML系列系列的可调谐激光器,其设计基于光泵浦垂直腔面发射激光器,采用半对称腔技术,利用MEMS实现连续的波长调谐。同时通过此方法可得到大的输出光功率和宽光谱调谐范围,热敏电阻和TEC封装在一起,以便在宽的温度范围内具有稳定的输出。为了精确频率控制一个宽带波长控制器被集成同一管壳内,前端分接光功率检测器及光隔离器用于提供稳定的输出功率。这种可调激光器可以在C波段和L波段提供10/20mW光功率。   对于这种原理的可调谐激光器主要缺点是调谐时间比较慢,一般需要几秒的调谐稳定时间。   基于温度控制技术   基于温度控制技术主要应用在DFB结构中,其原理在于调整激光腔内温度,从而可以使之发射不同的波长。   一种基于该原理技术的可调激光器的波长调节是依靠控制InGaAsP DFB激光器工作在-5--50℃的变化实现的。模块内置有FP标准具和光功率检测,连续光输出的激光可被锁定在ITU规定的50GHz间隔的栅格上。模块内有两个独立的TEC,一个用来控制激光器的波长,另一个用来保证模块内的波长锁定器和功率检测探测器恒温工作。模块还内置有SOA来放大输出光功率。   这种控制技术的缺点是单个模块的调谐的宽度不宽,一般只有几个nm,而且调谐时间比较长,一般需要几秒的调谐稳定时间。   目前可调谐激光器基本上均采用电流控制技术、温度控制技术或机械控制技术,有的供应商可能会采用这些技术的一种或两种。当然随着技术的发展,也可能会出现其他新的可调谐激光器控制技术。 各种可调谐激光器   图1、图2为染料激光器的典型结构示意图和几种染料的典型调谐范围。图1中用Nd:YAG激光经过倍频之后产生的 5320埃激光作为泵浦源去激励染料。在振荡器部分,条纹间距为 d 的衍射光栅和输出镜构成谐振腔。这时,只有波长满足2 d cos θ = mλ , m =0,1,2,… 的光束才具有低的损耗,能形成激光振荡。因此,旋转光栅(改变 θ 角),就能改变输出激光的波长。在谐振腔内还插入一个放在压力室中的标准具。变压力室中的气压,可使标准具中气体的折射率随之而变,从而获得输出波长的精细调谐。图中还有一级放大,以增加输出激光的功率。   一般染料激光器的结构简单、价廉,输出功率和转换效率都比较高。环形染料激光器的结构比较复杂,但性能优越,可以输出稳定的单纵模激光。   染料激光的调谐范围为0.3~1.2微米,是应用最多的一种可调谐激光器。 金绿宝石激光器   一种固体可调谐的激光器。金绿宝石中Cr3+的能级见图3。发射激光的波长取决于哪个振动能级是激光跃迁的终端。振动能级带与激光的可调谐范围相对应。金绿宝石激光器的阈值低,效率高,输出功率高,可在室温下工作,调谐范围7000~8000埃。   可调谐激光 色心激光器   色心是晶体中正负离子缺位引起的缺陷。已获得激光工作的色心主要FA(Ⅱ)、FB(Ⅱ). 等,属四能级工作,由于晶格振动的影响而有很宽的荧光线宽。色心激光器调谐范围宽(0.6~3.65微米)、线宽窄,但大都只能在低温下工作。 可调谐准分子激光器   准分子是一种在激发态复合成分子、在基态离解成原子的不稳定碲合物。由其能级示意图(图4)可以看出,对应于核间距为 R 0的基态分子是极不稳定的,会很快分解成独立的原子。因此,在 R 0附近,激发态与基态之间很容易建立起粒子数反转而产生激光振荡。准分子激光器已实现了紫外波长可调谐输出。
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[转载]新技术可直接测量电子速度
热度 1 linqf380077044 2012-3-2 23:31
美国物理学家表示,他们探索出了一种探测电流的新方法。这一方法基于二次谐波产生的过程,就像一个能远程监控电子速度的“雷达测速仪”一样,能直接“看”到电子的运动并测出电子的速度。相关研究论文发表在《物理评论快报》杂志上。 美国堪萨斯大学的物理学助教赵辉(音译)和教授朱迪·吴等人在超快激光实验室进行了这项实验。他们发现,高能激光器发出的光照射在一种包含有移动电子的材料上时,会产生不同颜色的光。在实验中,他们仔细研究了纤薄的砷化镓晶体材料,该材料广泛应用于高速电子学和高速光子学。通过朝整块晶体施加电压,他们让电子以特定的速度在晶体内流动。用人眼看不见的红外激光脉冲照射该晶体,会产生人眼可见的红光,这正是二次谐波产生过程出现的信号。 他们还发现,红光的亮度与电子的速度成比例,也就是说电子运动速度越快,红光越亮;而当电子没有直接运动时,没有红光出现。赵辉表示:“通过探测红光,我们能精确测量电子的速度,电子不需要同其他样本接触;我们也不会干扰电子的活动。在此项研究之前,现有探测实验技术都基于电流有三个效应:它能为系统充电、改变系统的温度并产生磁场。而科学家最新发现,电流还具有光子效应,这种使用激光研究电流的新方法完全基于这一最新效应。” 研究人员表示,新方法有望改善现今的很多可再生能源技术,诸如太阳能电池、人工光合作用以及水分解等,因为这些技术都依靠对电流进行探测。而且,能更好“阅读”电子运动的传感器可能会成为下一代手机和计算机的基础。 论文摘要: Second-Harmonic Generation Induced by Electric Currents in GaAs We demonstrate a new, nonlinear optical effect of electric currents. First, a steady current is generated by applying a voltage on a doped GaAs crystal. We demonstrate that this current induces second-harmonic generation of a probe laser pulse. Second, we optically inject a transient current in an undoped GaAs crystal by using a pair of ultrafast laser pulses and demonstrate that it induces the same second-harmonic generation. In both cases, the induced second-order nonlinear susceptibility is proportional to the current density. This effect can be used for nondestructive, noninvasive, and ultrafast imaging of currents. These advantages are illustrated by the real-time observations of a coherent plasma oscillation and spatial resolution of current distribution in a device. This new effect also provides a mechanism for electrical control of the optical response of materials.
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[转载]新一代飞秒光源—飞秒光纤激光器的最新进展
hdxia 2012-2-29 11:35
from: http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=39812do=blogid=209592 超短脉冲激光器从上世纪80年代开始,经历了从染料到固体飞秒激光器的发展,开辟了科学和工业应用的新时代。但其昂贵的价格,庞大的体积,对环境的稳定性差等缺陷阻碍了飞秒激光的应用。探索新机理,突破现有飞秒激光局限,研制新一代飞秒激光成为世界范围内热门研究课题。自90年代初,光纤激光器利用半导体激光器泵浦,具有小巧、结构简单、无需水冷和可集成化的特点,逐步发展起来并成为钛宝石激光器强有力的竞争者和替代者 。早期的飞秒光纤激光器,采用掺铒的通信光纤,工作波长1550nm,普通单模光纤色散为负,能提供与自相位调制对应的啁啾补偿,于是孤子锁模(Soliton mode locking) 和展宽脉冲(Stretched pulse) 锁模就成为主流机制。由于其倍频光的波长在775nm,经过拉曼移频可移到800nm附近,在商用激光器上,已经用作钛宝石放大器的种子脉冲 。但是,由于铒光纤的掺杂浓度不能很高,以及锁模机制的限制,输出脉冲能量仍然很低(10pJ-10nJ量级),限制了此种光纤激光器的应用。进入新世纪后,随着高掺杂掺镱光纤激光器的发展,自相似(Self-similar) 和全正色散(All-normal-dispersion) 锁模理论被提出并在实验上获得证实,使光纤振荡器的单脉冲能量突破10nJ 。 与其平行的是,90年代中期光子晶体光纤的问世,使得飞秒光纤激光器多了一个选择支 。光子晶体光纤的主要特点是大模场面积光纤比普通的双包层光纤能更好地保持单模特性,在放大器上有重要应用。但是,光子晶体增益光纤特别是双包层大模场面积光子晶体光纤价格非常昂贵,远远高于晶体的价格;而且泵浦光的耦合需要在空间进行,对机械件稳定性能要求很高,不像普通单模光纤以及普通的双包层光纤有直接的光纤合成。进一步来说,大模场面积光子晶体光纤的可弯曲程度很差,甚至变成了光纤“棒”(Rod-type),丧失了光纤原有的柔韧特性,反而使其体积大于同类固体激光放大器。 对于工作在1微米波段的光子晶体光纤,不同于普通的单模光纤,可以提供负色散,但也仅仅限于光纤芯径在1~2微米的光纤。在这样细的光纤中,孤子能量非常小,否则就会导致脉冲分裂,也不可能作为放大后的压缩器。由于以上缺点,除了放大器,光子晶体光纤做飞秒激光器振荡器并无明显优势。目前国内外报道的光子晶体光纤激光器,都是空间耦合的,并含有光栅对等需要空间的元件,不是低成本、抗击外部环境影响的封闭式结构。飞秒光纤激光器的低成本不是光纤本身成本低,而是半导体泵浦激光器的成本低。光纤激光器本身,无论是普通单模光纤,还是光子晶体光纤,都远比固体激光器贵。掺杂的光子晶体光纤价格更是比普通单模光纤高,比如一根大模场面积光纤“棒”的价格为数千欧元。 光纤激光器的最大优点是小型化、封闭式及无水冷。如果反过来做成空间式的,那就只有效率高这样的优点,稳定性甚至不如固体激光器。因此,作为放大器的种子光源以及对小能量应用(脉冲能量小于1mJ,例如光波导的刻划、THz波的产生、精密时频传输、纠缠光子对的产生、泵浦探针测量等),普通单模光纤飞秒激光器以及普通大模场面积光纤飞秒放大器依然发挥着不可取代的作用。著名的康奈尔大学和麻省理工学院研究小组,在光纤激光器的研究中,仍然把普通单模光纤激光器作为主要研究方向。其主要的光纤激光器创新理论和实验,都是在普通单模光纤激光器中完成的。 北京大学近两年来在863、支撑项目等课题的支持下,开展了飞秒光纤激光器的研究,取得一系列重要成果。主要成果包括:①半导体可饱和吸收镜的研制成功;②碳纳米管锁模成功;③新激光器腔型的创新;④超长腔锁模获得高能量脉冲输出成功等。 1、半导体可饱和吸收镜(SESAM)不仅是飞秒脉冲固体激光器的核心器件,也是飞秒脉冲光纤激光器的核心器件。不同的是,在固体激光器应用中,要求SESAM的调制深度比较低(1~2%)。而光纤激光器的锁模则需要20~30%甚至50%的调制深度。根据光纤激光器的需要,我们设计和制作了适合掺铒和掺镱光纤飞秒激光器锁模的SESAM。我们设计了若干调制深度的SESAM,包括镀保护膜的SESAM。对于应用于掺铒光纤激光器的SESAM,会有严重的晶格失配问题。我们用在晶格匹配的基片生长吸收层和间隔层,在其上镀介质膜和金属膜作为反射镜,然后将基片衬底腐蚀掉的技术,首次研制成功高调制深度的掺铒光纤用SESAM (图1(a))。对于掺镱光纤飞秒激光器,由于砷化镓基片与吸收材料铟镓砷的晶格有失配,若吸收层超过临界厚度,会发生位错等缺陷,导致损伤阈值的降低。我们采用了缓冲层的方法,有效地抑制了由于晶格失配导致的生长缺陷以及由此导致的损伤阈值的降低(图1(b))。为了测量其饱和恢复时间,我们设计了专用的Pump-probe装置。测量表明,我们研制的SESAM饱和恢复时间短只有不到2ps。所有SESAM都在光纤激光器上锁模成功。这标志着我国已经完全能够生产这两种激光器所需要的SESAM。 2、除了SESAM,新世纪以来,一种新型的锁模器件:单壁碳纳米管可饱和吸收器(CNT-SAM) 诞生并成为固体和光纤激光器的新宠。我们首先利用光学梯度力将CNT生长的光纤接头上,成功获得锁模;由于这种生长方式生长的CNT极易损坏,我们利用清华大学提供的新的单壁CNT薄膜结合在反射镜上,制成掺铒光纤激光器用的CNT-SAM,其特点是饱和恢复时间短(2ps),易于集成化。在掺铒光纤激光器中实验表明,用CNT-SAM的光纤激光器锁模阈值低,非常适合高重复频率和低泵浦时的应用,在光纤频率标准和时频传输方面将发挥核心作用。 3、新型光纤激光器。利用我们研制的SESAM和CNT-SAM,我们试验了各种腔型。无论是线性腔,还是环形腔,无论光纤多长,都可以用SESAM或CNT-SAM实现锁模。但是在环形腔内如何装着SESAM或CNT-SAM是个问题。不少激光器把可饱和吸收器放在光栅对后面,并用透镜聚焦在SESAM上。这样做的最大问题是,由于波长分量顺序的反转,返回光的光束变大,不能完全耦合入光纤,导致损耗和光谱滤波效应。为了把我们研制的SESAM用在环形腔光纤激光器上,并同时装有光栅对,我们发明了一种新的腔型,同时装有SESAM和光栅 。此谐振腔克服了在光栅对后加SESAM的光谱限制作用,既能够实现锁模自启动,又能保证锁模带宽。 4、超长腔光纤激光器。飞秒激光器的很多应用并不需要几十MHz的重复频率,最适合微细加工领域应用的是100kHz-500kHz重复频率,mJ量级的脉冲能量。为了在飞秒光纤激光器直接中获得超高能量的脉冲,我们提出了超长腔的光纤激光器的想法,这个想法与康奈尔大学研究者的想法不谋而合。我们试验了从400m到2km长的光纤谐振腔。这样的长腔全正色散激光器,即使采用全正色散光纤中必要的光谱滤波器,用非线性偏振旋转机制锁模已经非常困难。因此SESAM起了决定性作用。如此长腔的激光器,输出脉冲能量大大提高。以400m腔长的掺镱光纤激光器为例,在300mW泵浦下,输出脉冲能量高达320nJ,一次放大后脉冲能量超过4mJ 。而对铒光纤激光器的几十nJ的输出,一次放大就达到790nJ 。由于重复频率从几十MHz降低到380kHz ,已经可以直接应用于微细加工等。这种超低重复频率的激光振荡器在固体激光器中是很难实现的,而在光纤激光器中相对容易。这种激光器作为放大器的种子光源,节省了脉冲选单器(普克尔盒、声光调制器)、光纤展宽器和前级放大器等,具有非常大的应用价值。此技术已经申请了专利。 飞秒光纤激光器已经发展了近20年,仍然不断有新的概念和新的器件创出。如果没有先进的理念,没有自己的创新器件,我国在这个领域将永远处于劣势地位。某些光纤激光器国外对我国禁运就是例证。研制自己的核心元器件,并在此基础上研制自己的飞秒光纤激光器整机,不但是创新的基础,也是产业化的基础。幸运的是,北京大学研究小组已经在某些核心元器件和整机方面赶上了国际先进水平,并有所创新。我们将继续研制新型元器件和新型光纤激光器,使我国在光纤激光器领域内的竞争中占有一席之地。 参考文献: K. Tamura, E. P. Ippen, H. A. Haus, and L. E. Nelson, “77-fs pulse generation from a stretched-pulse mode-locked all-fiber ring laser,” Opt. Lett. 18, 1080-1082 (1993). M. E. Fermann, L.-M. Yang, M. L. Stock, and M. J. Andrejco, "Environmentally stable Kerr-type mode-locked erbium fiber laser producing 360-fs pulses," Opt. Lett. 19, 43-45 (1994). K. Tamura, E. P. Ippen, H. A. Haus, and L.E. Nelson, “77-fs pulse generation from a stretched-pulse modelocked all-fiber ring laser,” Opt. Lett. 18, 1080 (1993). http://www.cyber-laser.com F. Ö. Ilday, J. R. Buckley, W. G. Clark, and F. W. Wise, “Self-similar evolution of parabolic pulses in a laser,” Phys. Rev. Lett. 92, 213902 (2004). A. Chong, J. Buckley, W. Renninger, and F. Wise, “All-normal-dispersion femtosecond fiber laser,” Opt. Express 14, 10095-10100 (2006). A. Chong, W. H. Renninger, and F. W. Wise, “All-normal-dispersion femtosecond fiber laser with pulse energy above 20 nJ,” Opt. Lett. 32, 24081 (2007). T. Schreiber, H. Schultz, O. Schmidt, F. Röser, J. Limpert, and A. Tünnermann, “Stress-induced birefringence in large-mode-area micro-structured optical fibers, ” Opt. Express 13, 3637-3646 (2005). S. Yamashita, Y. Inoue, S. Maruyama, Y. Murakami, H. Yaguchi, M. Jablonski, and S. Y. Set, "Saturable absorbers incorporating carbon nanotubes directly synthesized onto substrates and fibers and their application to mode-locked fiber lasers," Opt. Lett. 29, 1581-1583 (2004). C. Zhou, W. Yang, G. Zhang, Y. Cai, J. Li, P. Li, and Z. Zhang, “Novel ring-cavity for ytterbium- doped mode-locked fiber laser incorporated with both SESAM and grating pair,” IEEE Photon. Techno. Lett. 21, 3-5 (2009). C. Zhou, L. Chen, Y. Cai, M. Zhang, L. Ren, P. Li, and Z. Zhang, “Ytterbium-doped mode-locked fiber laser at hundreds of kHz repetition rate,” unpublished. Y. Cai, C. Zhou, L. Chen, L. Ren, M. Zhang, P. Li, and Z. Zhang, “Sub-100 kHz Erbium-doped Mode-locked Fiber Lasers,” unpublished.
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光纤传感半月谈(6)
热度 2 zhwt 2011-11-22 17:44
光纤传感半月谈(6)
PCF和特殊光纤传感器的报道仍比较多。 台湾的 C.-f. Fan 等人提出了利用 PCF 环的双折射特性进行横向位移传感的方法( "Birefringent photonic crystal fiber coils and their application to transverse displacement sensing," Opt. Express , vol. 19, pp. 19948-19954, 2011. )。 图 1 基于 PCF 环的横向位移传感 香港理工的 C. Wu 等人提出了用聚酰亚胺涂覆的 PCF 测量盐度的方法( "Salinity sensor based on polyimide-coated photonic crystal fiber," Opt. Express , vol. 19, pp. 20003-20008, Oct 2011. )。 哈尔滨工程大学的 C. Y. Guan 等人研究了一种“埋入纤芯”的空心光纤特性( "Characteristics of embedded-core hollow optical fiber," Opt. Express , vol. 19, pp. 20069-20078, Oct 2011. )。 图 2 “埋入纤芯”的空心光纤 墨西哥的 G. A. Cardenas-Sevilla 等人报道了利用 PCF 干涉仪进行折算率传感( "High-visibility photonic crystal fiber interferometer for ultrasensitive refractometric sensing," in Proc. of SPIE Vol. 8011 , 2011, p. 80114K. )。 图 3 利用 PCF 干涉仪进行折算率传感 葡萄牙的 L. Bilro 等人报道了采用侧抛塑料光纤( POF )进行折射率和弯曲传感( "Analytical Analysis of Side-Polished Plastic Optical Fiber as Curvature and Refractive Index Sensor," JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY , vol. 29, pp. 864-870, Mar 2011. )。 图 4 侧抛塑料光纤( POF ) 比利时的 T. Baghdasaryan 等人研究了不同写入角度对纯硅材料 PCF 写入 FBG 的影响( "Influence of Fiber Orientation on Femtosecond Bragg Grating Inscription in Pure Silica Microstructured Optical Fibers," Photonics Technology Letters, IEEE , vol. 23, pp. 1832-1834, 2011. )。 图 5 不同写入角度下的 FBG 谱 上海交大的 X. S. Liu 等人提出了一种基于 LPG 的多波长可调谐光纤激光器( "Individually Switchable and Widely Tunable Multiwavelength Erbium-Doped Fiber Laser Based on Cascaded Mismatching Long-Period Fiber Gratings," JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY , vol. 29, pp. 3319-3326, Nov 2011. ),有望用于传感光源。 图 6 多波长可调谐激光器 墨西哥的 K. M. Salas-Alcantara 等人发表了采用两个 LPG 进行横向位移测量的方法( "Micro-displacement sensor using a Mach-Zehnder interferometer with long-period gratings," in Proc. of SPIE Vol. 8287 , Toluca de Lerdo, Mexico, 2011, pp. 82870Z-6. ),其中 LPG 采用机械应力的方法制得。 图 7 双 LPG 测量横向位移 墨西哥的 V. Salazar-Haro 等人报道了利用光纤端面反射进行液体分析( "Liquids analysis using back reflection single-mode fiber sensors," in Proc. of SPIE Vol. 8011 , 2011, p. 80114W. )。 哥伦比亚的 L. A. D. Marulanda 等人报道了利用光纤传感器进行石油掺杂检测( "Measurement of gasoline adulteration using optical fiber sensor," in Proc. of SPIE Vol. 8011 , 2011, p. 80115B )。 波兰的 M. Zyczkowski 等人进行了用光纤干涉仪进行心跳监测的试验( "Interferometric Fiber Optics Based Sensor for Monitoring of the Heart Activity," Acta Physica Polonica A , vol. 120, pp. 782-784, Oct 2011. )。 墨西哥的 V. I. Ruiz-Perez 等人报道了利用多模干涉方法测量压力( "Multimode interference effects in optical fiber for pressure sensing applications," in Proc. of SPIE Vol. 8011 , 2011, p. 80115M. )。 浙江大学的 D. Chen 等人提出了用少模光纤的模间干涉测量压力的方法( "HYDROSTATIC PRESSURE SENSOR BASED ON MODE INTERFERENCE OF A FEW MODE FIBER," Progress in Electromagnetics Research-Pier , vol. 119, pp. 335-343, 2011. )。 以色列的 Y. Peled 等人提出了基于受激布里渊散射的光纤应变检测方法( "Slope-assisted fast distributed sensing in optical fibers with arbitrary Brillouin profile," Opt. Express , vol. 19, pp. 19845-19854, Oct 2011. )。 日本的 M. Nakano 等人报道了利用 BOTDA 进行隧道监测( "Structure monitor system by using optical fiber sensor and watching camera in utility tunnel in urban area," in Proc. of SPIE Vol. 8011 , 2011, p. 80116N. )。 南京大学的 L. Gao 等人提出了采用光纤激光器同时测量应变和载荷的方法( "Simultaneous Measurement of Strain and Load Using a Fiber Laser Sensor," Sensors Journal, IEEE , vol. PP, pp. 1-1, 2011. )。其原理是利用纵模的排频和偏振模的排频对应变和载荷的灵敏度不同。 图 8 利用 FL 进行应变和载荷的同时测量 墨西哥的 D. Monzon-Hernandez 等人提出了用两个光纤拉锥进行弯曲传感的方法( "Compact optical fiber curvature sensor based on concatenating two tapers," Opt. Lett. , vol. 36, pp. 4380-4382, 2011. ),其原理是光在两个拉锥区域纤芯模和包层模的干涉。可通过改变拉锥的直径和两个拉锥的间距改变动态范围。 图 9 在 两个拉锥区域纤芯模和包层模的干涉 日本 Tokyo Medical and Dental University 的 H. kudo 等人报道了光纤甲醛传感器( "Fiber-optic biochemical gas sensor (bio-sniffer) for sub-ppb monitoring of formaldehyde vapor," Sensors and Actuators B: Chemical . )。 南通大学的 G. Lu 等人报道了利用光纤光栅进行复合材料低速撞击的能量分级试验( "The Energy Class Discrimination of Low Velocity Impacts on Composite Material Structure by Bragg Grating Sensor Technique," Composites Part B: Engineering . ),试验以一个摆球从不同角度落下撞击聚合物材料(内含 5 个 FBG )的方法进行。通过对采集到的 FBG 波长漂移的频谱进行分析,可得到不同撞击情况下能量在频谱上的分布,从而进行撞击能量的分级。 英国 Strathclyde 大学的 P. Orr 等人报道了采用光开关进行高速 FBG 解调的方法( "High-Speed, Solid State, Interferometric Interrogator and Multiplexer for Fiber Bragg Grating Sensors," JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY , vol. 29, pp. 3387-3392, 2011. )。该方案仍采用干涉式解调,但通过高速的光开关切换不同的通道,从而保证解调速度的情况下保持很低的串扰。文章报道了在 4 kHz 下 3 支传感器复用的结果。 图 10 采用光开关进行高速 FBG 解调系统
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[转载]有机纳米光子学的新进展
热度 1 jiuxichen 2011-6-29 19:00
中国科学院化学研究所姚建年院士和赵永生研究员等人经过几年的研究,最近在低维有机材料光子学方面取得了新进展。他们的研究结果表明,激子极化激元不仅可以沿着纳米材料的轴向进行长程低损耗的传播,而且能够像光波一样在光学平整端面进行反射,并相干形成一定的光谱谐振模式。在这一思想的启发下,他们以阳离子表面活性剂为模板诱导双光子荧光分子自组装,形成了具有平整四方端面的有机单晶纳米线。有机纳米线的平整表面使其形成了一个微纳米尺度上的光学谐振腔。实验中测量了纳米线微腔中形成的法布里-佩罗(Fabry-Pérot)型发光光谱,进一步研究了其中激子极化激元传播并发生谐振的行为。在此基础上,他们与中国科技大学韩正甫教授课题组合作,通过模拟激子激元谐振模型下的电场强度分布,计算出纳米线微腔对不同波长发光的增益效果,并且在实验中实现了双光子泵浦的蓝色激光发射。这种有机纳米线双光子泵浦激光器有望作为红外激光激发的小型化光源,应用在未来的集成光子学回路中。相关研究结果发表在JACS 2011,133,7276–7279, 为实现纳米光子学器件提供了一条新的思路。 激子激元传播与能量转移示意图 激子激元谐振腔中的电场分布
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好奇心能带我们走多远
kejidaobao 2011-6-28 11:13
文/杨书卷 从1960年世界上第一束激光诞生,这一奇异的人工之光毫无例外,都是由各种机械装置生成。不过,来自美国马萨诸塞州医院的Malte Stuttgart却对此并不满足:“为什么自然界中没有生物能制造激光呢?” 这的确是一个突发奇想。更奇妙的是,他们居然成功了! Stuttgart和他的同事选择的“生物”是能表达绿色荧光蛋白(GFP)的肾脏细胞。他们在一个直径约20微米宽、2.5毫米长的圆筒两边装上镜子,并装满GFP水溶液,形成能将光聚拢到一起的“光学共振腔”,再向其中放入肾脏细胞。结果发现,肾脏细胞不仅能产生激光脉冲,而且能像透镜一样将光回聚并诱导激光发射。 虽然单个激光脉冲仅持续几纳秒,但却非常明亮,而且,激光设备中的细胞在发光过程中仍然存活,能持续产生数百次激光脉冲。虽然现在我们还无法得知“活细胞激光器”将来会带来哪种确切的用处,但可以预见,这或许已拉开了“将无生命的光通讯和计算机拓展到生物技术领域”的宏大序幕(6月14日《科技日报》)。 Stuttgart自己也认为,是“强烈的好奇心”带来了这项极具突破性的发现。此项研究,尤其是Stuttgart所使用的绿色荧光蛋白GFP,很容易让人联想起GFP的最初发现者、并因此而荣获2008年诺贝尔化学奖的日本科学家下村修。下村修一生都痴迷于水母的研究,虽默默无闻但矢志不渝,是强烈的科学“好奇心”推动着他整个的研究人生。在20世纪60年代,下村修就从水母中首次发现了绿色荧光蛋白,但当时并不知道这一发现的重要意义。而当时间坐标移动到现在,GFP已成为当代科学中最重要的工具之一,在它的帮助下,研究人员就像给细胞装上了“摄像头”,能够看到前所未见的新世界,其重要性已可与显微镜的发明相提并论。 现在,首个“活细胞激光器”为GFP的未来又增添了无数的可能性,人类异想天开的“好奇心”与“想象力”再次在科学探索中散发出惊人的魅力。 科学家的确最擅长使用自己“聪明的大脑”,产生不同寻常的想法的人。美国加利福尼亚大学物理学教授Gary Horowitz就是这样一个例子:他将爱因斯坦的广义相对论和一个基础超导体连了起来。 50年前规范的超导理论就已经建立,它对大多数的常规超导体非常适用,却对近些年发现的铜氧化合物、铁基化合物等能在稍高一点的温度下也毫无电阻的超导现象却束手无策,物理学家们很长时间都挠头不已。Horowitz独辟蹊径,利用弦理论的工具构建了一个超导体的引力模型,再现了一种超导现象——约瑟夫森结,这就说明,也许用爱因斯坦的广义相对论可以解释新的超导理论(6月出版的美国《物理评论通讯》)。爱因斯坦的广义相对论和一个完全不同的物理学领域也能联系起来!就连“始作俑者”Horowitz自己都对此惊讶不已。 Horowitz思维的“联想力”超乎寻常,而日本的一支国际研究小组用T2K大型粒子探测器,也“做”出了一件前所未闻的发现:宇宙中存在的3种最基础微粒居然能够彼此间“替换”(6月13日新华网)! 实验对象是被称为“魔鬼粒子”的中微子。中微子是宇宙物质中最基本的部分,它有3种类型,但由于很少与其它微粒发生交互作用,因此很难探测到它们。但在此次实验观测中,却发现这3种中微子会互相出现“替换”!这种被称为“中微子震荡”的奇异现象首次被记录下来,使人们第一次认识到,也许中微子和普通的宇宙物质与反中微子具有不同的特性,而这样的差异性有朝一日将有助于解释那个人类长久以来深藏于心的疑问:为什么是正常物质构成宇宙,而不是反物质? 不过,虽然现代人类具有如此的创造力,英国剑桥大学的科学家最近却发现,人类早就已经过了自己的“顶峰”时期:现代人类不仅在身高方面比1万年前的祖先要矮上10%,脑容量也小了一些,似乎早期人类在身型方面不断进化,但这一过程在1万年前突然停止,并开始走了下坡路。 对在非洲、欧洲和亚洲发现的古人类化石进行研究而得出的这一结论,的确令人吃惊,因为人类会想当然地认为“吃得好,长得高”。人类进化学家Labr对此的解释是,这与人类的饮食结构和生活习惯有关。农业的出现虽然让人类不需要通过狩猎为生,但也会让人类缺少维他命等营养物质的摄取量:而城市化进程也使得疾病易于传播,人类的体型随之变小,而且没那么强壮了。 但是,脑容量的减少是不是等于我们变笨了呢?要知道现在的成年男性脑容量几乎比2万年前减少了一个网球大小。Lahr却对此做出了不同的解释:因为人类在发展、进化过程中逐渐减少了身体能量的消耗,这让我们的大脑在容量减小之后反而变得更加有效了(6月13日英国《每日邮报》)。总而言之,人类的进化中还是越来越“聪明”了,这个结论真令我们舒心不少。 聪明的人类大脑产生出无限的“好奇心”和“想象力”,成为努力揭开自然之谜、成就科学发现的原始驱动力,而人类如何保护、发扬这种可贵的原创力,也成为值得深思的话题。也许,英国曼彻斯特大学Andre Geim研究小组的行为应该值得借鉴:他们习惯把10%的时间用在异想天开的实验上,每个星期五晚上都要做这样的实验。这些疯狂的实验,很多都没有什么结果,但是一旦有了发现,就可能是突破性的。而把Geim送上2010年诺贝尔奖的石墨烯的实验,就是星期五晚上实验中的一个。■
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[转载] 美制成首个活细胞激光器
alexchu 2011-6-14 21:38
文章来源:科技日报 常丽君 发布时间:2011-06-14 据美国物理学家组织网6月13日(北京时间)报道,美国马萨诸塞州综合医院研究人员成功利用表达了绿色荧光蛋白(GFP)的肾脏细胞产生了一种纳秒级的激光脉冲,首次用单个活细胞作为增益介质产生了激光。相关论文将于近日发表在《自然·光子学》杂志上。 产生激光通常要有3个要素,第一是光源,第二是受激产生激光的“增益介质”,第三是将所产生的光聚拢到一起的“光学共振腔”。哈佛医学院皮肤病学副教授、论文作者尹淑贤(韩国名)博士说,激光发明50年来,通常都是用合成材料如晶体、染料、纯净气体作为光学增益介质,光脉冲在两面镜子间来回反射,在这些介质中被放大。而我们选择了能表达绿色荧光蛋白(GFP)的肾脏细胞作为增益介质。 GFP蛋白最初是在水母中发现,可在不添加其他酶的情况下诱导发光。研究人员给一个直径约20微米宽、1英寸(2.5厘米)长的圆筒两边装上镜子作为光学共振腔,共振腔内装满GFP水溶液,再向其中放入肾脏细胞。结果发现,肾脏细胞不仅能产生激光脉冲,而且能像透镜一样将光回聚并诱导激光发射。 更重要的是,该激光设备中的细胞在发光过程中仍然存活,能持续产生数百次激光脉冲。尽管单个激光脉冲比较微弱,仅持续几纳秒,但却很明亮,很容易探测到。 论文主要作者、马萨诸塞州综合医院马尔特·加特说,这一成果源于好奇心。由于此前激光均由各种机械装置生成,他和同事就想,“ 为什么自然界中没有生物能制造激光 ”,产生了用细胞组织试试看的念头,结果显示这是有可能实现的。 对于这项成果的运用前景,研究人员提出了几种可能。首先,由于不同的细胞结构所产生的激光在光学性质上有差异,可以通过分析最后得到的光,来研究细胞和机体组织;第二,目前医学上有一种光动力疗法,可把对光敏感的药物送到要医治的机体部位,然后用光照来激发药效,如果在这种疗法中能用上“细胞激光器”,也许可以增进疗效。 但要在机体组织内产生激光,还要解决一个问题,即如何在机体组织内形成一个光学共振腔,而不是像本次研究那样利用外部的两面小镜子。“下一步,我们希望能在细胞里植入一种类似于镜盒的结构作为光学共振腔。而我们的长期目标是找到一种方法,将无生命的光通讯和计算机拓展到生物技术领域,这在一些涉及电子与生物组织转换界面的项目上尤其重要。”马尔特·加特补充说。 随便说两句:我承认,虽然我是做激光的,但是我绝对没有想到用活体细胞来做激光增益介质。这就是所谓的创新,所谓的idea吧? 呵呵,我又想,如果是在国内,你这样尝试,会不会被人当做不务正业呢? 也许,当国人看到这篇报道,会不会立马想到利用不同的细胞、不同波长的泵浦激光、不同的。。。来发表100篇类似的文章?
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一位博士研究生的来信和简单答复
热度 1 Fangjinqin 2011-6-4 07:30
方老师,您好,这是我第一次来您博客留言.先是在科学网上拜读了您的博文,然后在我课题的调研过程中发现了您曾经发表过的文献,研究跨度如此之大,让我深感触动.我是光学工程方向的博士研究生,目前正在进行光纤激光器的研究,但我心中一直有个梦想,希望能够理解这个复杂的让人困惑的真实世界.从去年开始接触到了复杂系统的思想,又开始看了哈肯 的《协同学》系列,发现激光器本身就是一个具备实验基础的复杂系统。在和老板交流之后,将课题方向转移到了研究光纤激光器中的非线性动力学,并想从这一角度来研究工程实践中出现的一些复杂动态现象,我心中的目标就是,通过激光器理解复杂系统、理解真实世界。在学习您的《非线性环型腔反馈激光系统的动力学特性及其混沌控制》一文中,我遇到了一些困惑,希望得到您的指点: 1、Ikeda和Otsuka等提出的环形腔模型是含有多块非线性折射率介质的被动腔,并无增益介质,为何可将这一模型与环形腔激光器等价?这一模型如何与真实的环形腔激光器联系? 2、DDE方程里是否包含增益损耗过程?DDE方程化简后均表达为相位项,混沌行为的主体也是光场的相位,相位的混沌如何与光子数的混沌联系?如何测量这一相位? 3、Ikeda-Otsuka模型的完整的DDE方程如何通过逆算符方法求解?我查阅的文后的参考文献,由于均发表于上世纪90年代,许多文献无法得到全文,因此未能找到求解环形腔激光器系统的内容。 4、Otuka写过《Nonlinear Dynamics in Optical Complex Systems》一书,书中光学复杂系统指的是含有大量自由度的主被动光学系统,包括多模激光器等。书中内容截止于2001年,请问目前光学复杂系统这一方向最新的主题是什么呢? 在百忙之中打扰您,十分抱歉,期盼能得到您的些许指导,不胜感激! 某研究生(名字不便公开)。 Fangjinqin 刚刚 你看到的文章是我90年代初指导研究生的工作。快20年了。目前我非常忙,忙不过来考虑你提出的问题,过一段再说。关于分解法可以看我在“物理学进展”(1993,13(4):441-560)长篇综述,及在“物理学报”等杂志上的文章。
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惊奇发现2010年发的一篇文章已被他引了2次
热度 1 AnjinLiu 2011-1-19 21:56
A.J. Liu, et al., "Single-mode holey vertical-cavity surface-emitting laser with ultra-narrow beam divergence", Laser Phys. Lett., 7, No. 3, 213–217 (2010) / DOI 10.1002/lapl.200910130. 2010_LPL_Single-mode holey vertical-cavity surface-emitting laser with ultra-nar.pdf ( Laser Phys. Lett. 2009的影响因子为5.502) 在这篇文章中,我设计并制作了 花瓣孔状垂直腔面发射激光器,构成花瓣形结构的各楔形孔经过干法刻蚀后,沿着径向方向的刻蚀深度渐变。因此我们提出了渐变折射率模型构建孔区的折射率分布,成功解释了花瓣孔状垂直腔面发射激光器的多模低发散角特性。同时我们采用损耗机制解释了花瓣孔状垂直腔面发射激光器的单模特性。 两篇引用我的文章分别为: 1 Y. Q. Hao, et al., "High Power 808 nm Vertical Cavity Surface Emitting Laser with MultiRingShapedAperture Structure", DOI: 10.1134/S1054660X11030030 2011_LP_High power 808 nm vertical cavity surface emitting laser with multi-ring.pdf 2 W. NAKWASKI, "VCSEL structures used to suppress higher-order transverse modes", OPTO−ELECTRONICS REVIEW, 19(1), 119–129, 2011. DOI: 10.2478/s11772−010−0075−y 2011_VCSEL structures used to suppress higher-order transverse modes.pdf 它是一篇综述文章,把我的这篇文章提到的结构以及模型原理作为一种单独的器件结构以一段的篇幅(153个单词)予以了详细的介绍。 如下:“ Similar to the above is the VCSEL with the petal−shaped holey structure . As previously, increased scattering losses of higher order modes, as compared with that of the fundamental mode, are achieved in the petal holey structure with the larger hole number. Then, about 1 mW of the SFM output is achieved in the above 6−μm VCSEL emitting the 850−nm radiation (line 42). Relatively low output is a result of high optical losses introduced by the mode discrimination mechanism, surprisingly high as com− pared with the previous similar structure. However, divergence of the output beam of this device is very low (3.2°) which results from enlarged lateral dimension of the hole along the radial direction outwards from the centre , so the hole depth is gradually increased. Resulting graded index profile in the top DBR broadens the optical field which leads to this ultra−narrow beam divergence . ” 文章作者W. NAKWASKI介绍: Professor W. Nakwaski, the director of the Institute of Physics at the Technical University of Lodz, Poland , is an internationally recognized scientist working over 25 years in semiconductor optoelectronics . He has received MSc in both Electrical Engineering (in 1971 from the Technical University of Lodz) and Physics (in 1973 from the Lodz University), PhD and DSc in Electrical Engineering (in 1976 and 1985, respectively, from the Institute of Electron Technology in Warsaw) and the Title Professor in Physics (in 1996 from Aleksander Kwasniewski, the President of Poland). Being both the physicist and the electrical engineer, Professor W. Nakwaski is using in his research modern methods of computer physics to investigate performance of various optoelectronic devices, mostly semiconductor diode lasers. In particular, he has been simulating operation of various diode lasers and laser arrays in full complexity of all interrelated physical phenomena crucial for their proper work. Using the above simulations, he has been investigating an impact of various construction parameters on laser important performance characteristics, receiving essential optimization suggestions for laser designers. He has published his research results in over 300 regular and conference papers . He is also an co-author of two scientific books devoted to physics of semiconductor lasers , three chapters in scientific books and two patents. Professor W. Nakwaski has spent over 4 years in the Center for High Technology Materials at the University of New Mexico, Albuquerque, USA (1 year as a Senior Visiting Scientist and over 3 years as a Research Associate Professor). Now he is a Full Professor in the Institute of Physics, Technical University of Lodz, Poland and is supervising the Laboratory of Computer Physics at this institute.. Professor W. Nakwaski received 7 times (in 1978, 1980, 1984, 1987, 1990, 1999 and 2002) the Prize of the Minister of National Education in Poland for scientific achievements. 有点惊讶,因为对这个工作没有太多的期望...
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我们是谁3:能源消耗制约人类登陆最近恒星要到200年以后
kexuechuanbo 2011-1-16 22:28
据美国科学家马克米利斯估计:如果飞往距离我们最近的半人马座阿尔法星需要消耗10的18次方焦耳的能量。这接近于现在全世界一年消耗的所有能源。仅仅消耗能源将飞船速度降下来,即需10的19次方焦耳。这样的话,可能要到2200至2500年才有可能实现前往最近恒星的飞行。还有人估计,人类需要消耗世界能源总产量的100倍,才能完成这种飞行。这预示着,人类探索星外文明的路途还相当相当遥远,至少我们是看不到这一天啦! 科学家还曾设想用一束X激光实现宇宙开矿,即用激光照射引起那些含有大量几乎纯金、纯银、纯稀土元素的星球发生爆炸,然后运用无线制导技术把有用的矿物吸引并降落到地球,供人类使用。然而,要实现这样的宏大设想,这台激光器需使用的能源是现今地球上所有能源(包括核、风、水、热电等全部能源)输出的1000倍。
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激光器的诞生和发展
kexuechuanbo 2010-9-11 08:52
激光器的诞生和发展
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[转载]常用激光器波长
yaoronggui 2010-4-27 13:50
常用激光器波长 Output Wavelengths of Common Lasers 序数 (No.) 激光器名称 (Laser name) 介 质 (Medium) 光频数 (Light frequency) 波长 (Wavelength) /nm 1 He-Cd 气体 紫外光 325.0 2 N 2 气体 紫外光 337.1 3 Kr 气体 紫外光 350.7,356.4 4 Ar 气体 紫外光 351.1,363.8 5 He-Cd 气体 可见光 441.6,537.8 6 Ar 气体 可见光 457.9,514.5 7 Kr 气体 可见光 461.9,676.4 8 Xe 气体 可见光 460.3,627.1 9 Ar-Kr 气体 可见光 467.5,676.4 10 He-Ne 气体 可见光 632.8 11 红宝石 Cr 3+ 固体 可见光 694.3 12 Kr 气体 红外光 753.0,799.0 13 Ca、Al、As 固体 (半导体) 红外光 850.0 14 Ca、As 固体 (半导体) 红外光 904.0 15 Nd 固体 红外光 1060.0 16 Nd/YAG(掺钕的钇铝石榴石) 固体 红外光 1060.0 17 He-Ne 气体 红外光 1150.0,3390.0 18 CO 2 气体 红外光 1060.0 19 H 2 O 气体 红外光 1180.0 20 HCN 气体 红外光 3370.0
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光纤激光器的分类(zz)
zhanghan 2009-10-10 19:49
光纤激光器种类很多,根据其激射机理、器件结构和输出激光特性的不同可以有多种不同的分类方式。根据目前光纤激光器技术的发展情况,其分类方式和相应的激光器类型主要有以下几种: (1)按增益介质分类为: a)晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤,主要有红宝石单晶光纤激光器和Nd3+:YAG单晶光纤激光器等。 b)非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。 c)稀土类掺杂光纤激光器。向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活,(Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等,基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶)而制成光纤激光器。 d)塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。 (2)按谐振腔结构分类为F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及8字形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器等。 (3)按光纤结构分类为单包层光纤激光器、双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。 (4)按输出激光特性分类为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器,其中脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理又可分为调Q光纤激光器(脉冲宽度为ns量级)和锁模光纤激光器(脉冲宽度为ps或fs量级)。 (5)根据激光输出波长数目可分为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。 (6)根据激光输出波长的可调谐特性分为可调谐单波长激光器,可调谐多波长激光器。 (7)按激光输出波长的波段分类为S-波段(1460~1530 nm)、C-波段(1530~1565 nm)、L-波段(1565~1610 nm)。 (8)按照是否锁模,可以分为:连续光激光器和锁模激光器。通常的多波长激光器属于连续光激光器。 按照锁模器件而言,可以分为被动锁模激光器和主动锁模激光器。 其中被动锁模激光器又有: 等效/假饱和吸收体:非线性旋转锁模激光器(8字型,NOLM和NPR) 真饱和吸收体: SESAM或者纳米材料(碳纳米管或者石墨烯)。
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CO2激光器
huaning 2009-7-28 14:18
【2012-8-31】新国产二氧化碳激光器参阅: http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=288079do=blogid=605712 邱华宁   由于进口的New Wave激光器MIR10-50W有故障,esi公司国内工程师无力修复,厂方以该型号激光器停产为由不再提供维修服务,我们只好在国内寻找厂家装配。   国内装配激光器之激光头为相干公司产品,配有CCD观察样品,光斑3-2 mm可调。可匀速圆周运动,扫描式均匀加热直径孔内6mm样品,此功能优于New Wave软件。New Wave软件只能画点、线等,不能画圆,激光走到线段转折处时停顿,将使样品受热不均匀。国产激光器投入使用一个月,经过改进,使用效果不错,价格仅为进口激光器之1/3,值得推广。
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PCF photonic crystal fiber ,optical communication, grating
热度 1 zsaining 2008-11-13 08:10
Please browse http://www.oedcad.com/index.htm If you need the following software please fill the form ,then send the form and registerinfo.dat file toDr. Zhang Yejin Email: yjzhang@semi.ac.cn . Registerinfo.dat file can be generated by register.exe ofmenu after finishing installing module package. How to use these software s? Tel:086-010-82304760,086-13661385034 We can help you build your own optoelectronics device and optical fiber communication simulation platform, using the platform you can develop new arithmetic, new program. We can provide VC or fortran source code. Immediately your group will become stronger. Our program is designed according to commercial software standard. immediately NEW!!! 1.Parallel Cluster finite difference in time domain software (PCFDTD 1.22) 1) Supporting lossy , dispersive , nonlinear and active media for 1D,2D and 3D parallel FDTD simulation. 2) Supportingimporting any picture into software,such as SEM picture, and have a simulation or measurement for duty ration.Using the PCFDTD,you can obtain the characteristics of real device,such as photonic crystal slab,fiber and so on. 3) PCFDTD has friendly interface and can be used to edit any complex 1D 2D and 3D structure. It can simulate Photonic crystal slab, fiber, plasma, DFB,DBR laser,and so on. 4) Any shape topology optimization is developed for obtain good device performance,such as bend waveguide,laser, passive and active photonic or optical device. 5) Supporting large scale parallel cluster calculation and no processes number is limited. 6) Carrier rate equation is introduced FDTD simulation for process active device,such as DFB laser,SOA. 7) Single and double precision calculation is supported and unlimited continuous calculation is supported. 1D,2D and 3D figure output are supported. 8) Any direction near field ,far field, mode volumn can be calculated easily using the PCFDTD. 9) Pade approximation is introduced for signal processing,from which you can save 5-10 times CPU time for simulation cavity or obtaining frequency spectrum characteristics. 10) FDM (filter diagonalized method) also is introduced for process short signal. 11) FFT,DFT are used to analyze time domain signal. 12) Transfer matrix method (TMM )is supported to simulate energy band,photonic band structure and dispersive relation. Transmission and reflection spectrum can be easily obtained from TMM. In PCFDTD, solar cell efficiency also can be obtained and silicon and III-V compound material is both supported. DetailsDownload: Parallel Cluster FDTD suite 1.22 2.PCF(photonic crystal fiber design) Photonic crystal fiber (PCF) or microstructure optical fiber (MOF) design software is presented on the website. The software can process a SEM picture of PCF or MOF. The user can simulate the practicality .Therefore a comparison can be done between theory and experiment. Features: 1)Any kinds of photonic crystal fiber,Bragg fiber,hollow fiber, photonic gap fiber can be simulated. 2)Multiple pole method is developed for a presice simulation,such leakage/confinement loss of fiber. 3)Finite difference in frequency domain with PML(perfect matched layer) absorption boundary condition method is developed . 4)TMM(Transfer matrix method) is developed for a Bragg fiber. 5)An experimental fiber section (such as, SEM picture ) can be imported into this module for a simulation. 6)Quasi-FDTD is developed for simulating the fiber in time domain. 7)PWE(plane wave extension) method is developed for fiber band structure calculation. 8)This module have some application port for simulation using beam propagation module and FEM module. 9)Many fiber's characteristics can be simulated ,such as bend loss, leakage loss, splicing loss ,effective mode area ,dispersion relation ,mode distribution,V parameter,Gama parameter,and so on. 10)Optimized calculation can be executed with all kinds of scanning parameter.    Details DOWNLOAD: PCF design system   Plane Wave Extension Method for photonic crystal
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开发一流的光电子器件,光纤器件,光纤通信,光子晶体仿真软件
zsaining 2008-7-1 09:25
博主本人十几年来一直从事光电子器件,光纤器件及光纤通信系统的仿真软件设计工作,共开发出约20种仿真模块,集中了吉林大学,清华大学,中科院半导体所及期刊上一些著名的理论模型。目前已经积累源代码数十万行,许多功能模块已经超过国外著名商业软件,如Crosslight,Rsoft,Optiwave ,Appolo等。 希望得到大家的支持! 详细情况请浏览: http://oedcad.uqc.cn
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