山东大学百廿校庆之“光学50年”纪念专辑前言
——王青圃 张小民 肖韶荣 刘兆军
[摘要]2021年是山东大学建校120周年，也正值山东大学光学学科成立逾50周年之际，《中国激光》特别组织策划山东大学百廿校庆之“光学50年”纪念专辑，邀请山大校友及校外支持专家撰稿，集中展示山大光学学科的最新研究成果。专辑最终收录了28篇论文，包含1篇钩沉和27篇学术论文，于2021年第12期正式出版。希望本专辑的出版能为我国相关学科领域的研究起到积极的推动作用...
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[摘要]2021年,山东大学走过了120年的历程,沉淀累累。五十年前,为满足我国国防战略需求,学校抽调部分物理系骨干教师与晶体生长研究室合并创立山东大学光学系,魄力恢弘。从光学系第一任主任邓从豪教授起,蒋民华教授、陈继述教授、胡燮荣教授、王应素教授等蜚声海内外的一批光学家汇聚于此,形成群贤云集,交相辉映的盛况。
国防科技大学前沿交叉学科学院
[摘要]研制激光武器需要综合考虑技术挑战、战场环境和作战任务等因素,推动激光武器的实战应用面临众多难点,包括高能高光束质量光源难、远距离作战难、高效毁伤难、高效紧凑难、实战应用难等。结合激光武器面临的困难,依据基本的物理原理,本文探讨了激光武器的设计准则,提出高亮度准则、发散角匹配准则、桶中功率最高准则、高效耦合准则、平台适装准则等5条主要设计准则,为激光武器研究和设计提供参考。
中国工程物理研究院激光聚变研究中心
[摘要]输出能力和光束质量是研制强激光装置时追求的两个核心性能,通常受制于增益能力、光束品质、热负载、功率负载、通量负载受限条件。对于具有不同应用目标、不同运行机制、不同技术途径的强激光装置或系统,5类受限条件对输出能力和光束质量的影响权重是不同的。其中,解决增益能力与光束品质两类受限问题是研发连续强 激光和脉冲强激光装置的共性问题;对于连续(或准连续)强激光,破解热负载受限是核心问题;对于脉冲强激光,破解功率负载受限是核心问题。深入研究5类受限机理、基本规律及相互之间的影响关系,融合近期发展的新材料、新方法、新技术,对积极推进以高峰值功率、高能量(高平均功率)和高重复频率激光(简称“三高激光”)为基本特征的先进强激光装置或系统具有积极意义。
山东大学信息科学与工程学院激光物理与技术实验室
[摘要]自1960年第一台红宝石激光器问世以来,高速更新换代的固体激光器、光纤激光器、气体激光器和半导体激光器为通信、工业加工与制造、军事国防、前沿科学研究等领域的研究和发展提供了有力的支撑。其中,光纤激光器以其良好的散热特性、出色的激光模式、更高的放大效率、更为紧凑的空间结构和更加低廉的制作成本成为新一代高功率超快激光研发的首选。得益于光纤的波导特性和大比表面积的散热特点,光纤激光器可以在高平均功 率状态下实现高光束质量的长期稳定工作。结合啁啾脉冲放大与多通道相干合束的办法,目前高功率超快光纤激 光器已经实现了万瓦级平均功率、百飞秒级脉冲宽度的高功率超快激光输出。本文面向高功率超快光纤激光系统,介绍高功率超快光纤激光研究发展现状,协同阐述超快光纤振荡器、光学参量管理、超快光纤放大器和非线性 压缩四部分的原理和内在联系,并对高功率超快光纤激光的未来发展方向做出展望。
山东大学信息科学与工程学院
[摘要]光参量啁啾脉冲放大器(OPCPA)在实现高功率、大能量、光学周期量级的超短激光脉冲输出方面极具优势。对具有高脉冲重复频率(≥1 kHz)的OPCPA系统展开研究讨论,全面介绍OPCPA 系统的组成;针对不同波段的OPCPA系统,对泵浦源、前端、光参量放大级和压缩器等关键模块分别进行对比和讨论,对限制OPCPA 系统性能提升的因素进行分析;最后总结不同输出波长的高重复频率OPCPA 系统的研究现状,并对未来的发展方向进行展望。
中国科学院半导体研究所固态光电信息技术重点实验室
[摘要]激光器是一种高亮度、高效率和高相干性的功率转换器件,特别是在半导体激光器系统中,不仅存在折射率的高低分布,而且还同时存在增益和损耗分布,是一个天然的非厄米光学系统。通过引入微结构调控激光器的折射率和增益损耗分布,可以在基于半导体激光芯片的光学平台上实现宇称时间对称、超对称等物理效应,并实现对激光器的空间光场和频域光谱的调控,从而获得高性能的新型微结构激光器。其中,宇称时间对称有望改善激光器的光谱、近场和远场分布,而超对称有望实现单侧模大功率输出。本文主要从这些物理效应的基本原理出发,综 述了基于宇称时间对称和超对称的激光器的相关工作,探讨了新型微结构激光器的可能发展方向。
南方科技大学电子与电气工程系
[摘要]随机激光器达到阈值的方式并不是通过谐振腔,而是通过光子在增益随机散射介质中的多次散射带来的光学反馈实现的。将液晶用作散射介质,可以利用液晶易调控的特点,调整系统无序程度和染料分子的取向,使液晶随机激光器的激光阈值、强度、偏振等特性得到调控,由此可极大地拓宽随机激光器的应用范围。系统介绍了液晶随机激光器的工作原理,并分别介绍了向列相、胆甾相、蓝相和等离激元增强液晶随机激光的近期研究进展。希望能为该领域的初学者提供基础知识,同时为有经验的研究人员跟踪最新的研究进展提供重要参考。
山东大学前沿交叉科学青岛研究院分子科学与工程研究院
[摘要]在过去的二十多年里,台式飞秒真空紫外(VUV)激光光源技术经历了快速发展,与泵浦-探测技术相结合,在超快光化学领域的应用越来越得到重视。本文介绍了目前搭建台式飞秒VUV 激光光源最常用的四波混频方法,并对空芯光纤中和光丝中的四波混频的发展做了较为详细的介绍和梳理。
山东大学信息科学与工程学院
[摘要]近些年,法国Amplitude公司提出了“吉赫兹(GHz)革命”的口号,主要指发展重复频率在GHz量级的超短脉冲激光光源,并将其应用于工业加工、精密测量和生物成像等方面。深紫外激光器具有波长短、分辨率高、光子能量高的特点,因而在芯片缺陷检测、光电子能谱实验等方面具有重要应用,但目前已有的深紫外激光器的重复频率主要集中在千赫兹(kHz)和兆赫兹(MHz)量级,在GHz重复频率方面的研究极少,这大大限制了深紫外激光器在上述方面的应用。因此,针对上述研究现状,对高重复频率超短脉冲激光器的产生及频率变换技术的发展趋势展开研究。首先,详细介绍了近红外(NIR)波段GHz重复频率激光光源的发展现状;归纳总结了近二十年来国内 外深紫外激光光源的研究进展———主要集中于四倍频(266 nm 和258 nm)、五倍频(213 nm 和206 nm)以及193 nm,指出了GHz重复频率深紫外脉冲激光领域的空白。接着,对GHz近红外激光和GHz深紫外激光各自的 难点、相互之间的关系进行了探讨。最后,在对高重复频率深紫外激光器未来发展进行展望的同时也指出了其发展过程中亟需解决的问题。
山东大学信息科学与工程学院
[摘要]报道了百赫兹大能量KTiOAsO4(KTA)晶体光参量振荡器(OPO)系统,并研制了脉冲重复频率为100 Hz、输出能量达580 mJ、波长为1064 nm 的Nd∶YAG主振荡功率放大器。OPO 谐振腔采用平平腔结构,用在X 方向切割的KTA晶体作为非线性晶体。在脉冲重复频率为100 Hz时,得到1.53 μm 信号光和3.47 μm 闲频光的单脉冲能量分别为178 mJ和64 mJ,脉冲宽度分别为13.7 ns和11.8 ns,泵浦光到参量光的光-光转换效率为43.6%。
山东大学信息科学与工程学院
[摘要]采用熔融芯法制备出高增益的Yb∶YAG 晶体衍生光纤,纤芯内Yb2O3 的掺杂浓度(质量分数)达到5.25%。光纤在976 nm 处的增益系数为12.6 dB/cm,在1550 nm 处的传输损耗为1.29 dB/m。采用DBR线性腔结构,将8 mm 长的Yb∶YAG晶体衍生光纤作为增益光纤,实现了17.8 mW 的976 nm 单频激光输出,对应的斜效率为12.1%,激光的信噪比大于45 dB,线宽小于41 kHz。
山东大学信息科学与工程学院
[摘要]时至今日,非线性光学材料在光电子、通信、信息处理等领域的重要作用日益突出,发展新型、优良的非线性光学材料迫在眉睫。与传统的无机非线性光学材料相比,有机非线性光学材料在损伤阈值、响应时间和非线性光学系数上具有决定性优势。沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs)是一类以咪唑或其衍生物为配体的特殊金属有机骨架结构材料,其以结构多样性、高度的热学和化学稳定性,近年来受到了国内外研究者的关注。本文总结了沸石咪 唑酯骨架结构材料制备方法以及非线性光学特性的研究进展,并就沸石咪唑酯骨架结构材料在非线性光学领域的应用前景进行了展望。
山东大学信息科学与工程学院
[摘要]近年来,二维二硒化铂(PtSe2)由于其独特的性质,在锁模激光器、光电探测器、太阳能电池等领域均表现出巨大的应用潜力,引起了科研人员的广泛兴趣。本实验使用化学气相沉积法,在蓝宝石衬底上生长出不同层数的PtSe2 薄膜。使用原子力显微镜和拉曼光谱仪对样品的表面形貌和拉曼振动模式进行研究。吸收光谱表明,PtSe2具有随着层数增加而减小的带隙。使用椭圆偏振光谱仪对样品的光学常数进行表征,结果表明,PtSe2 的光学常数 与厚度有明显的相关性。使用变温椭偏光谱仪分析温度对PtSe2 光学常数的影响,并得到不同波长下的热光系数。 本实验结果可以为基于PtSe2 的光电器件的设计和优化提供参考。
山东大学激光与红外系统集成技术教育部重点实验室
[摘要]为获得抑制能见度测量不确定度的方法,根据光电二极管尺度效应对载流子复合的影响,研究了光电二极管光电转换响应度在敏感面上的分布,通过测定光电转换均匀性,建立了响应度的分布模型,其分布近似为抛物面。两种不同光电二极管的测量结果表明,光电二极管响应度均匀性在敏感面的中心区域最好,不同型号的光电二极管,其尺度效应影响程度差异较大。得出了响应度的分布对能见度测量不确定度的影响规律,光斑在中心附近区域内漂移时影响最小,光斑漂移范围越大对不确定度贡献越大,光电二极管的尺度效应是能见度探测系统不确定度的主要因素之一。采用光斑跟踪技术,使入射光斑中心保持在光电二极管敏感面上的位置在小区域内,可有效控制尺度效应的影响。
华中科技大学武汉光电国家研究中心
[摘要]随着云计算和数据中心的高速发展,片上集成光互连和光处理凭借在集成度、速度、带宽及功耗等方面的独特优势,成为突破传统电子瓶颈的关键技术。同时,光子具有频率、偏振、时间、复振幅及空间结构等多个物理维度,可发展为多维混合复用技术,进一步提升光互连和光处理的带宽。结合光场多个物理维度资源,分别对片上集成多维光互连和光处理的关键技术进行了回顾,并对其未来发展趋势进行总结和展望。
长春理工大学光电工程学院
[摘要]空间目标的探测、识别、预警、拦截以及相关海量信息的快速安全传输是目前重要和紧迫的研究方向。结合偏振、光谱等光学技术的多维度探测可并行获取目标形状、材质、位置等信息,从而有效增加空间目标信息维度和提升准确度;同时借助空间激光通信,将以上海量信息快速安全地传输给在轨卫星和管理部门等,可为目标进一步的处置及时提供决策依据。首先梳理空间目标探测与激光通信的国内外发展现状,分析主要难点,总结相关技术的原理、特点与应用;然后介绍本团队近年来在空间目标多维度(偏振、光谱、强度)探测和激光通信方面的研究进 展,包括复杂背景下全偏振成像、高光谱全偏振成像和面阵光谱偏振成像、超分辨成像、激光测距、一对多同时激光 通信等;提出空间目标多维度探测与激光通信一体化的系统设计思想和具体实施方案;最后对今后空间目标测通一体化发展方向提出一些建议。
山东大学晶体材料研究所晶体材料国家重点实验室
[摘要]非线性光子晶体(nonlinear photonic crystal, NPC)具有空间相关的二阶非线性系数,可以通过准相位匹配(quasi-phase matching, QPM)有效地控制非线性光学相互作用。一维和二维NPC已被广泛用于激光频率转换、空间光调制和非线性光学成像中。然而,受传统极化方法的限制,三维(3D)NPC的实现仍然是非线性光学领域的最大挑战之一。从准相位匹配的基本理论出发,综述了目前利用飞秒激光选择性地擦除铌酸锂(LiNbO3, LN)晶体非线性系数的3D LN NPC实验进展、在铁电钛酸钡钙(Ba0.77Ca0.23TiO3, BCT)晶体的自发畴结构中实现3D调制的 QPM 以及使用激光直写技术在BCT晶体中制造3D NPC的进展。另外,还介绍了一种具有自发的魔方立方状畴结构的天然钽铌酸钾(KTa0.56Nb0.44O3, KTN)钙钛矿NPC,无需外部极化即可直接满足3D QPM 条件。3D NPC晶体 可以广泛应用于需要产生和控制新频率光的领域,实现非线性光束整形、非线性成像和三维非线性全息等应用。
山东大学信息科学与工程学院
[摘要]自石墨烯发现以来,新型单元素纳米材料以其新奇的光电特性备受关注。特别是近几年来,第五主族元素纳米材料(砷烯、锑烯、铋烯)更是激发了研究人员的极大兴趣。作为一种过渡金属,铋纳米材料一直是材料和光学研究领域的热点之一,在电子器件、光电器件和非线性光学等领域的应用中表现出巨大的潜力和良好的前景。首先,着重从制备、表征和非线性光学特性研究等方面介绍铋纳米材料的相关理论和实验研究工作。接着,总结铋纳 米材料的非线性光学性质及其光子学应用规律。最后,对铋纳米材料的发展前景和趋势进行展望和分析。
四元非线性光学晶体Li2BaSnS4 热输运性质的第一性原理研究
山东大学晶体材料研究所
[摘要]四元锂-硫化合物具有较高的非线性光学(NLO)系数以及较宽的带隙,是一种具有较高应用潜力的非线性光学晶体。较高的热导率是非线性光学晶体综合性能的重要保障,可以保证非线性光学器件在实际应用中正常运行。然而,由于目前合成的四元锂-硫化合物的晶体尺寸通常较小,实验中难以测量其热导率,因此,采用第一性原理计算方法研究四元锂-硫化合物Li2BaSnS4 的热导率,并通过与类似的三元硫化合物LiGaS2 进行对比,探讨其晶 格热导率的微观来源。研究发现,Li2BaSnS4 的晶格热导率较三元硫化合物LiGaS2 低,一方面是因为引入的Ba与 S生成较弱的离子键,降低了声子群速度,另一方面是因为Ba的引入导致声子的非简谐效应增强。
山东大学信息科学与工程学院
[摘要]光场成像拓展了经典光学成像的信息维度,为成像技术的提升和突破提供了更多的可能性,是计算成像领域的重要研究内容。光场携带了目标和场景的三维信息,通过对光场数据进行合理的建模和处理可以实现三维成像。光场三维成像技术可概括为光场深度估计和光场三维重建两大类。对于光场深度估计,根据深度计算的不同机理分为基于多视点立体的方法与基于极平面图的方法;对于光场三维重建,根据是否采用结构光照明分为主动和被动光场三维重建。简要介绍了光场的基本理论并回顾了常见的光场采集系统,分类介绍了光场三维成像的关 键技术和典型工作并进行了技术展望。
清华大学精密仪器系
[摘要]由于现有空间光调制器(SLM)的调制特性,连续取值的复振幅型计算全息图(CGH)通常需要被转换为离散取值的纯振幅型或纯相位型CGH。将连续值近似为离散值的量化过程会对CGH 的全息重建质量产生显著的影响。选择峰值信噪比(PSNR)作为重建质量的评价依据,采用参数空间遍历法,定量评估了CGH 振幅和相位的量化取值对重建质量的影响。评估过程充分考虑了分辨率、补零范围、重建距离、重建波长、随机相位、像素间距、位深度及相位调制偏差等关键参数对全息重建的作用。在此基础上,提出了针对现有和未来SLM 的最佳量化方案。
中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室
[摘要]通过在感知层中加入定制化的微型光谱感知节点,近红外(NIR)光谱传感物联网(IoT)实现了NIR光谱分析技术和IoT技术的集成应用,进而可以满足IoT感知层中对物质成分传感的应用需求。近年来,中国科学院上海技术物理研究所依托成熟的InGaAs焦平面探测器技术,与山东大学联合,在NIR光谱传感IoT的研究和应用上取得了良好进展。首先,介绍了NIR光谱传感IoT的系统架构和关键技术。接着,为了实现光谱感知节点的微型化设计,重点介绍了集成多通道滤光片和集成线性渐变滤光片的两种微型光谱组件结构及其波长定标方法,并结合制备工艺对光谱组件的性能展开对比和分析。最后,基于集成式光谱组件,进一步介绍了NIR光谱感知节点、云服务器和手机客户端的研究应用情况,并对NIR光谱传感IoT的未来发展进行展望。
中国科学院上海技术物理研究所
[摘要]热红外成像技术在对地观测及空天敏感目标探测等领域有着广阔的应用,常用的线阵探测器成像方式有短线列摆扫、长线列推扫两种,其幅宽与分辨率的比值通常小于3000。我国“地球大数据科学工程”专项提出基于遥感数据对人类活动痕迹及近海生态进行精细刻画的需求,并通过以热红外、微光为主的方式实现对城市热岛、人类经济活动及极地环境变化的短时相定量观测,其对热红外载荷空间分辨率和时间分辨率提出了更高的要求。针对 以上需求,提出一种三谱段多模块拼接的长线列摆扫式热红外探测方式,在505 km 轨道高度处实现了300 km 幅 宽、30 m 分辨率(星下点)的宽幅高分辨对地成像。该载荷采用全光路低温光学系统以降低仪器自身热辐射,并在 后透镜组与杜瓦中间、杜瓦内部均设置挡光环,进而提高系统视场外的消光能力,该研究可为全球精细遥感及高精 度定量化应用提供技术参考。
山东大学信息科学与工程学院
[摘要]鬼成像是一种具有双臂结构的新型成像技术,一路利用无空间分辨能力的探测器接收与物体相互作用的光束,另一路用于记录原始光场的空间分布。鬼成像通过多次测量对二者进行关联运算,即可重构出目标物体的空间强度信息,因此受到了研究人员的广泛关注。最近,基于光的时空二元性,鬼成像从空域扩展到时域,时域鬼成像被提出并得以验证。由于使用低速探测器可以探测到高速信号,时域鬼成像逐步发展为一种高速光信号探测方法。此外,许多基于时域鬼成像的信息安全和传输方案也被相继提出。主要介绍时域鬼成像技术的基本原理及应 用的发展历程,并着重介绍了其在长距离光纤探测、超快信号探测、信息安全以及提升相机帧率中的应用工作。
山东大学激光与红外系统集成技术教育部重点实验室
[摘要]针对1.06 μm 单光子探测应用,研制了基于InGaAsP/InP单光子雪崩二极管(SPAD)的集成型快速主动淬灭近红外单光子探测器。在制冷封装中集成关键淬灭元件并优化SPAD驱动电路,使得所研制的探测器具有极短的淬灭延迟,同时实现了较低的功耗和紧凑的设计。探测器具有良好的综合性能,在-30 ℃、10%探测效率、100 ns死时间条件下,后脉冲概率约为10%,暗计数率约为1 kHz;最短死时间低至50 ns,最大可用探测效率达30%。所研制的探测器采用105 μm/ 125 μm 多模光纤耦合,尺寸仅为63 mm×54 mm×44 mm,且集成了门控、参数控制和时间相关单光子计数等功能,适用于体积受限的单点和多波束激光雷达系统。
山东大学信息科学与工程学院
[摘要]在量子热力学的研究中,量子相干扮演着重要的角色。基于本课题组的研究结果,分别从热力学操作与增强热力学操作间的相干鸿沟猜想及关联催化相干放大猜想两个角度,讨论了能级之间的量子相干在热力学中的奇特行为。首先,通过研究单模热力学操作,进一步发掘了相干转化在划分量子热力学操作中的作用。其次,通过研究关联催化协变操作,发现关联催化在含有相干的量子热力学中存在尚未发掘的作用。研究结果对进一步完善量 子热力学第二定律具有重要意义。
山东大学激光与红外系统集成技术教育部重点实验室
[摘要]基于非线性频率上转换的太赫兹波探测技术具有灵敏度高、响应速度快、可室温操作等优点,现有理论研究中仅考虑了差频转换或和频转换,而这与实验中观察到的二者共存的物理现实并不一致。本文提出了在非线性频率转换过程中差频与和频共存时的理论方程,并以DAST晶体为例模拟分析了不同晶体厚度及泵浦强度下的太赫兹波探测情况。理论计算表明:和频、差频共存下各波变化趋势与单差频或单和频情况有所不同;和频过程的存在 会降低差频过程的效率,若只考虑差频,则结果将有所偏差。在特定实验条件下,同时利用差频光与和频光,总信 号输出强度更大,其探测效率高于单差频的情况;存在一个最佳的晶体厚度,使得总信号输出最强。进一步计算表 明,基于非线性频率上转换的太赫兹单光子探测有可能实现。
南京师范大学教师教育学院
[摘要]基于金属谐振环-介质-金属底板三层异质结构,设计了一种在太赫兹范围内工作的可发生双频电磁诱导透明效应的反射型超表面结构,并通过在金属谐振环的内外环间平铺光敏硅实现对电磁诱导透明效应的主动调控。研究结果表明,所设计的超表面结构在2.89~3THz以及4.03~4.44THz处分别有两处透明窗口,对电磁波具有较高的反射率。通过增加光强提高内嵌光敏硅的电导率,使得透明窗口的调制深度大幅减小,实现对透明窗口的主动调控。所设计的超表面具有主动可调、双频电磁诱导透明响应等优点,在光开关、多频点慢光效应及光集成中 都具有一定的应用价值。
