清华大学建校110周年——“光耀清华”纪念专辑
——周炳琨 钟敏霖 柳强 陈宏伟
[摘要]2021年正值中国共产党建党100周年、清华大学建校110周年之际，我们组织出版“中国激光——清华大学建校110周年专辑”，旨在全面介绍清华大学在激光及光学应用方面的最新研究进展。本专辑共收录了27篇特邀论文，作者来自清华大学精密仪器系、电子工程系、机械工程系、材料学院、生物医学工程系等校内单位，论文涵盖高性能激光器、激光加工制造、精密测量、光学成像、图像处理等多个领域，集中呈现了清华大学在光学和激光技术领域的最新研究成果 ...
清华大学精密仪器系精密测试技术与仪器国家重点实验室
[摘要]双光梳光谱技术作为一种新兴的宽带光谱测量技术,具有超高分辨率、高灵敏度和高采样率的特点,在气体吸收谱测量、温室气体排放监控、非线性光谱成像等领域具有重要应用。研究表明,仅从一台激光器中产生高相干的双光梳光源,克服了传统双光梳光源产生方法中存在的频率锁定系统复杂、梳齿数量较少、制作工艺困难等缺点,这种光源是理想的双光梳光源之一。结合国内外相关研究进展,综述了单腔双光梳的产生方法、单腔双光梳锁模光纤激光器中的孤子动力学研究以及单腔双光梳的应用。
清华大学电子工程系
[摘要]自从第一个激光器诞生以来,激光对科学研究和技术应用都有革命性的影响。激光本身作为一门科学和技术兼具的学科,也一直是一个快速发展和极其活跃的研究前沿,激光器的线性尺寸从极小到极大跨越达10个数量级。主要介绍近十几年来激光向极小尺寸(即纳米激光)发展的一些基本情况,包括纳米激光发展的基本历史脉络和背景、各种不同的种类和特点、应用场景、目前发展状况、面临问题、未来趋势。不同种类的纳米激光器的主要区别在于激光腔和增益材料的不同,涉及的纳米腔结构包含纳米线状腔、回音壁式腔、Fabry-Pérot腔及金属等离子激元腔等;涉及的增益介质包括普通的化合物半导体和新兴钙钛矿、过渡金属硫族化合物等。
清华大学精密仪器系
[摘要]二极管泵浦重复频率纳秒高能固体激光器(主要指单脉冲能量10 J以上,脉冲重复频率10 Hz以上)在重大基础和应用研究领域中发挥了重要的作用,是科学研究的前沿热点之一。本文以叠片、激活镜、之字形板条三种放大构型为线索,详细介绍了二极管泵浦重复频率纳秒高能固体激光器的代表性成果和研究进展,分析了激光器的优选技术路线,并对未来的发展前景进行了展望。
清华大学精密仪器系光子测控技术教育部重点实验室
[摘要]级联泵浦的高功率掺镱光纤激光器在近年快速发展,已经成为获取具有优异光谱特性、高亮度、高功率激光光束的重要技术途径。以高功率1018 nm光纤激光器为代表的高亮度级联泵浦激光源的研究和应用,给包括传统波长掺镱光纤激光、高功率随机光纤激光、拉曼光纤激光在内的众多高功率光纤激光领域带来突破性的性能提升。本文总结回顾了级联泵浦高功率掺镱光纤激光器的最新研究进展,介绍了当前实现高性能输出的级联泵浦高功率光纤激光所应用的主要关键技术,并展望了未来研究的方向和挑战。
清华大学精密仪器系光子测控技术教育部重点实验室
[摘要]光纤熔丝损伤是一种发生在正在传光的光纤中的链式损伤效应,从1987年首次被发现至今,已在几乎所有类型的光纤中被观察到。它具有类似燃烧的导火索的外观,可以在条件合适时自发发生,并沿着光纤正在传光的反方向快速传播至整个系统,不可逆地毁坏其经过的光纤组件,因而对光纤系统,特别是高功率光纤激光器,构成严重威胁。本文结合作者团队对于光纤熔丝损伤效应十余年的观测和研究,全面回顾了有关光纤熔丝损伤效应的历史和最新研究进展,介绍了目前已知的光纤熔丝损伤关键物理过程、预防和阻断方法,以及光纤熔丝损伤本身的应用,并展望了未来相关研究的热点方向和重点问题。
清华大学精密仪器系激光与光子技术研究室, 光子测控技术教育部重点实验室
[摘要]被动锁模光纤激光器是超快激光家族中的重要成员,凭借光纤的优良特性,如鲁棒性好、结构简单紧凑、稳定可靠等,吸引了相关研究者的广泛关注。近年来,随着光纤制备工艺和锁模技术的不断进步,光纤锁模激光器得到了迅速发展。基于此,描述锁模技术及不同色散区的锁模激光器,并依据锁模机制、脉冲性质等分类叙述,综述了国内外该领域的研究现状和发展趋势,重点阐述全光纤非线性环形放大镜和微纳光纤锁模激光器的研究进展。
清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室
[摘要]纳米连接涉及纳-纳、纳-微-宏跨尺度的材料连接,其在微纳电子元器件及其系统、微纳光机电系统等互连封装制造和研发中起到越来越重要的作用。目前已研发了系列纳米连接工艺方法,但在高操控性能量输入、多材料选择、低损伤互连等方面均有各自的局限性。超快激光具有峰值功率密度极高、多材料适用、加工热影响区极小等显著优势,进而基于超快激光制造的纳米连接是一个重要的发展方向。以本团队及合作者的研究为主,阐述了纳米尺度材料超快激光连接的局域能量调控和异质连接界面冶金与能带修饰、基于超快激光纳米颗粒薄膜沉积的低温连接新技术,以及基于超快激光纳米连接的新型微纳器件的制造与应用。同时,指出了超快激光纳米连接所面临的挑战和发展趋势,为未来纳米连接的研究和应用提供参考。
清华大学材料学院激光材料加工研究中心
[摘要]自然界中存在大量具有特殊微纳结构的多尺度表面,如荷叶、水稻叶、玫瑰花瓣、壁虎脚趾、鲨鱼皮、蝴蝶翅膀、昆虫复眼等,这些表面具有超疏水、超亲水、结构色、高敏感性、生物相容性等多种神奇功能。如何人工制备出仿生微纳米结构,从而实现师法自然和超越自然的目标,是材料与制造领域的重大课题之一。超快激光加工是灵活制备微纳米结构的可靠手段,但衍射极限制约了其纳米结构制备能力,且制备效率低下。本团队在过去的10多年中,在拓展超快激光微米与纳米结构制备能力以及仿生微纳结构的功能化方面开展了系统研究,发展了一系列超快激光微纳结构制备与双级精确调控新方法,探索了超快激光制备的微纳结构表面在超疏水、高抗反射、高敏感性和生物医学检测等领域的创新应用。超快激光制备形态多样的微纳米结构并实现仿生功能化是一个富有吸引力的研究方向,但仍然面临着诸如突破衍射极限以实现1~100 nm典型纳米结构的制备、功能化微纳结构的设计与制备以及大面积微纳结构的高效制备等挑战。本文为《清华大学建校110周年之光耀清华》专辑而撰写,旨在总结过去、面向未来,与本领域同仁一起交流探讨,共同推进本研究领域的发展。
清华大学精密仪器系, 精密测试技术及仪器国家重点实验室
[摘要]石墨烯由于独特的物理化学性质成为电子器件研发的热点材料。近年来,在石墨烯材料的器件化发展过程中,激光加工技术起到了重要的推动作用。本文综述了激光加工石墨烯在传感器与执行器方面的研究进展,介绍了三种常见的激光加工制备石墨烯材料的方法,包括激光还原石墨烯氧化物、激光诱导石墨烯生成和激光剪裁石墨烯,同时详细阐述了激光加工石墨烯材料在传感器和执行器方面的研究进展,最后对激光加工石墨烯材料在未来的发展与应用进行了总结与展望。
清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室
[摘要]随着科学技术的不断发展,新型能量转化和存储器件的研究受到了科学工作者的广泛关注,有望减小人类社会对化石燃料的依赖,构建全球能源新格局。激光具有能量密度高、空间分辨率高、可定制性强等特点,在先进功能材料的开发和新型能源器件的微纳结构构建方面具有独特的作用。概述了激光在新型能源器件和相关先进材料领域的研究进展,其中新型能源器件主要包括超级电容器、可充电电池、太阳能电池、水汽自发发电器件等;先进材料领域的研究进展涉及器件电极的激光微纳加工、材料的激光改性和功能化、器件结构的激光微结构构建、柔性能源器件制备等。最后,对激光在新型能源器件领域的相关研究进行了总结和展望。
激光能量对激光焊接接头熔化形状、气孔和微观组织的影响及其调控方法
清华大学机械工程系
[摘要]对高质量、高效率、高柔性和绿色环保连接技术的需求,以及不断涌现的各种新材料的连接需求,促进了激光焊接技术的研究和进步。得益于激光器及其配套设备的快速发展,以及对激光与材料相互作用机理认识的深入,激光焊接技术在过去30年实现了由实验室研究走向规模化工业应用的转变。激光能量能够在时空尺度上进行精确调控,高能量密度和小热输入为激光焊接精确控制接头熔化形状和抑制焊接热循环对母材的不良影响提供了可能。然而,高的激光能量密度导致金属蒸发形成匙孔,匙孔坍塌引起的气孔是激光焊接中的常见缺陷。此外,小的热输入导致了较快的冷却速度,影响了焊缝和热影响区的微观组织。熔深、气孔和微观组织的调控均与激光能量密切相关。本文依托钢铁材料、镁合金、钛合金和异种材料连接方面的典型案例,介绍了激光能量对焊接熔深、气孔及微观组织的影响及调控,指出了激光焊接技术的特点和优势,对利用激光焊接技术解决新材料和新结构的焊接难题提供了有益借鉴。
清华大学材料学院
[摘要]为了解决激光粉末床熔化技术制备的钨材料中存在的裂纹问题,本文提出了一种通过原位反应形成亚微米尺度亚结构强化相的强化方式减少钨中裂纹的新思路。采用激光粉末床熔化技术成功制备了钨-5%(质量分数)碳化钽低合金钨块体,通过调整激光参数,钨-5%碳化钽块体的孔洞明显减少,裂纹密度相较纯钨显著降低。在钨-碳化钽中形成了大量形状不规则的亚微米级尺度的亚结构,通过微观组织分析在合金中发现了于增材制造原位反应过程中形成的碳化钨相,这些碳化钨相主要聚集于亚结构的胞壁处。钨-碳化钽的显微硬度(666 HV)较纯钨(400 HV)提高了约50%,证明在添加碳化钽后材料的本征强度得到了显著提高。
清华大学精密仪器系, 精密测试技术及仪器国家重点实验室
[摘要]“没有测量就没有科学”,对物理量越来越精确的测量已成为现代科学和技术领域孜孜追求的目标。激光干涉精密测量具有可溯源,纳米甚至皮米高分辨率,以及数米、几千米甚至上千千米的超长测量范围等突出优点,被广泛用于IC装备、数控机床、超精密微纳制造、引力波探测等先进技术和前沿科学领域。清华大学激光精密测量与应用课题组长期围绕激光干涉和激光回馈干涉开展研究,先后在大频差、高功率保持的新原理双频激光器、用于无靶镜纳米测量的回馈干涉原理研究方面取得了突破,研制出新型双频激光干涉仪和激光回馈干涉仪,并在多个领域开展了应用研究。本文详细总结了课题组最近十年的研究成果,在此基础上展望了激光干涉精密测量与应用研究领域的发展前景。
清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室
[摘要]距离测量作为几何量测量关键共性基础技术之一,在科学研究、高端装备制造及空间探测等领域有重要应用。新兴的双光梳绝对测距技术充分发挥了光学频率梳的时域超短脉冲和频域高分辨特性,能实现大范围、高精度、高测速的绝对距离测量。首先,在简要阐述双光梳基本原理的基础上,着重介绍了双光梳飞行时间法测距和相位法测距的研究进展;然后,介绍了双光梳测距技术的功能拓展、仪器化进程及应用实例;最后,对双光梳测距的发展进行了展望。
清华大学深圳国际研究生院, 光学成像与传感研究所, 深圳市微创医疗技术重点实验室
[摘要]弱值放大技术由于“异常”的放大效应而被广泛地应用在微小物理效应的测量和高精度计量学中。研究表明,弱值放大能够有效抑制技术噪声和提高系统的分辨率。本文介绍了弱值放大技术的原理和常见的系统构建,简述了弱值放大在生物、材料和化学等领域的应用现状,并对弱值放大技术的发展方向进行了展望。
清华大学生物医学工程系
[摘要]光声计算断层成像是近年发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法,其临床应用对成像精度要求较高。生物组织内声速分布的不均匀性时常造成重建的光声图像中存在较为严重的伪影。实现光声IP和声速分布的联合重建是改善成像效果、去除成像伪影的重要途径之一,也是仅通过光声单一模态的信息获取就可以获得多模态信息(包括光学和声学信息)的崭新途径。总结了几种本研究组近年来开发的光声-声速联合重建方法,包括基于特征耦合、基于波前整形以及基于信号互补的方法。同时,分析了这几种方法的优劣势和适用场景,以期帮助人们更好地利用这些方法解决光声图像质量提高和多模态图像获取的问题。
清华大学医学院生物医学工程系
[摘要]现代光学成像和光学治疗技术的发展,为智能化精准微创诊疗平台的构建提供了重要的结构支撑。传统的诊断和治疗技术存在诊断与治疗过程相对独立,术前、术中信息不匹配,病灶信息模态单一,较为依赖医生经验等问题。近年来,结合计算机视觉、精密机械制造、自动化控制、纳米材料等手段,光学诊疗技术朝着智能化、精准化方向发展,促进临床手术系统走向诊疗一体化。本文从光学成像及智能化诊断方法、精准的光学治疗手段、光学诊疗仪器与一体化方法三个方面,对智能化精准光学诊疗技术研究进展进行综述。
清华大学精密仪器系精密测试技术与仪器国家重点实验室
[摘要]相比传统电生理方法,基于光遗传学的神经调控技术具有低侵入性、可结合基因工程实现特定神经元选择性激发等优势,近年来在脑科学研究领域得到广泛应用。对基于光遗传学的神经调控方法进行了系统回顾,详细介绍了双光子光遗传技术及其在在体高空间分辨率神经调控方面的研究进展,包括串行螺旋扫描激发、串行扩展光斑扫描激发以及基于广义相衬和计算机生成全息图的并行激发技术等。此外,还讨论了目前双光子光遗传技术在激发精度及激发视场等方面存在的问题及解决方案,并指出将双光子成像与双光子光遗传结合的全光电生理技术可实现神经活动的同步观测与调控,进而极大地推动神经环路解析等神经科学研究。
清华大学电子工程系
[摘要]本文提出了一种多尺度补全卷积神经网络(MsiNet),用于光学相干层析(OCT)视网膜图像的分层。该网络充分利用了人眼视觉特性和视网膜层次特征。实验结果表明,与现有的视网膜分层网络相比,MsiNet能够实现更高的分层正确率,同时具有网络规模小和参数量少的特性。
北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室
[摘要]近年来,超多视点光场显示设备取得了快速发展,呈现出视点数目越来越多、分辨率越来越高和可视角度越来越大的特点,而能够呈现的虚拟场景也越来越复杂。对现有的超多视点光场显示设备的虚拟立体内容生成技术进行了梳理与总结,指出了各个技术适用的情景与优缺点。总体来说,面向超多视点的大规模虚拟场景的高质量实时光场内容生成技术还存在许多不足,需要研发全新的渲染体系才能突破现有算法的瓶颈。
清华大学精密仪器系
[摘要]由于光学和合成孔径雷达(SAR)存在显著的几何和辐射差异,光学影像和SAR影像自动配准一直是现阶段研究的重点问题。利用具有辐射不变性的相位一致性算法计算两影像相位,构建特征方向信息和特征强度信息,并构建一种局部特征描述符——最大相位索引图(MPIM)。利用相位索引图相关性测度在输入影像上获取同名点,采用仿射变换实现配准。实验结果表明:所提算法对光学和SAR的几何和辐射差异具有较强的适应性,并且配准精度较高。
清华大学精密仪器系
[摘要]人体呼出气包含氮气、氧气、二氧化碳等多种气体,其中很多气体可以作为各种疾病的相关标志物,通过测定特征呼出气体的组分及含量可以对多种疾病进行无创诊断。可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)法由于具有灵敏度高、选择性好、响应速度快的优点,是一种常用的痕量气体光学检测技术。综述了基于TDLAS法检测痕量气体的原理,包括TDLAS技术种类、光源及多光程腔的选择等,并介绍了其在几种常见的呼出气检测中的应用进展。
清华大学电子工程系
[摘要]微纳结构的物理机理和独特的光电特性为探索新型光电子芯片提供了可能。回顾了本研究组在微纳结构光电子芯片领域的研究成果。总结了各种微纳结构中光与物质相互作用的机理,介绍了具有自由电子辐射、实时光谱成像、声子传感、光轨道角动量辐射、光量子态产生及操控等功能的光电子芯片。
清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室
[摘要]介绍了光学相干层析成像在不断提升其性能方面的一些研究,其中主要包括在成像的分辨率、成像速度、成像探头等基础核心指标方面大幅提升的代表性工作。综述了清华大学物理系近二十多年来在光学相干层析成像研究方面的一系列重要进展,包括取得了纵向分辨率为0.64 μm的高分辨率成像、E3.5长时间细胞活体的亚细胞分辨成像,成功研制了速度高达40 MHz的高速扫频激光器,实现了基于光计算的每秒1000万次轴向线扫描的超高速实时光学成像信息处理等。
清华大学深圳国际研究生院
[摘要]偏振成像可以获得样本丰富的微观结构信息。通过在传统光学显微镜上加装起偏器模块和检偏器模块,可以将其升级为穆勒矩阵显微镜,实现生物医学样品的特征结构和偏振性质的全面定量测量。介绍了几种以商业显微镜为基础的模块化穆勒矩阵显微镜,包括基于双波片旋转的透射式和反射式系统和基于双线偏振CCD的透射式系统,并对其光路结构、测量原理、校准方法和应用演示进行了详细的阐述。
清华大学电子工程系北京信息科学与技术国家研究中心
[摘要]高频宽带分布相参微波光子成像雷达具有速度分辨率高、距离分辨率高、角度分辨率高、信噪比高等优点,是高精度成像雷达的一个发展方向。其核心功能模块包括:微波光子信号产生、光学分数域接收前端及高精度光纤时频同步环网。对上述三个关键模块的国内外发展现状进行了简要回顾,重点介绍了我国在国家自然科学基金重大项目支持下,在动态可重构波形产生、光学分数域接收前端、高精度时频同步环网等方面取得的成果,以及基于这些成果搭建的基于微波光子学原理的X波段分布相参宽带成像雷达实验系统以及阶段性的实验结果。
清华大学电子工程系
[摘要]空间叠层衍射成像是一种基于相干光的无透镜成像方式,因此可以避免透镜系统孔径有限带来的衍射极限问题。目前,空间叠层衍射成像方案多采用机械结构对光探针进行平移,这种方式会使光探针的位置产生偏移误差,导致成像质量的下降。为解决这一问题,利用硅基光子集成技术设计并制作了基于滤波器件的光束空间分配芯片,该芯片上共有16个发射天线,相当于16个光探针,光探针阵列以一定的交叠率照射物体,其衍射图样强度被红外相机的不同感光区域记录。该芯片可以替代传统的机械式光探针来实现空间叠层衍射成像。百纳米级的加工工艺降低了光探针位置的偏移误差,提高了成像的质量和系统的稳定性。同时,由于集成芯片的尺寸仅有毫米级别,故成像系统的尺寸也可相应地减小。
