甲辰龙年，时值《激光与光电子学进展》甲子华诞。始创20世纪60年代，激光技术开拓者邓公锡铭，首届主编，岁月积而初心坚，刊名更而光彩炽。今范公滇元倾毕生所学，率卓尔英才，济济一堂。期刊虔其始而厚于终，实其名而增其强。己亥提速半月刊，庚子再辑先进成像专题刊，稿逾三千，于兹蓬勃。回忆曩昔，虽一纸风行，也曾关山难越。今既立百世之师，亦兴当世之光。秉持科学精神，肩负历史使命。敏于思而勤于辨，笃其行而竭其力，为中国激光之进步贡献，拳拳之心六十载，不显自彰^[1]。新篇即启，今日所奉，创刊六秩编委特辑，持续推出，尽请关注。

 

      创刊六十周年特辑①包括了来自执行主编浙江大学邱建荣教授课题组“超快激光在铌酸锂内部诱导微纳光子结构研究进展”，编委：深圳大学于起峰院士课题组“大型工程结构静动态变形摄像测量方法与应用”，南京大学祝世宁院士课题组“用于远程气体探测的双波长中红外激光器”，国防科技大学许晓军研究员课题组“高能半导体泵浦碱金属激光器的发展和挑战”，复旦大学余建军教授课题组“光子太赫兹通信技术研究进展” 的特邀文章。

 

 

1.超快激光在铌酸锂内部诱导微纳光子结构研究进展（特邀）

作者：张博，王梓权，王卓，邱建荣

单位： 浙江大学

文章概述：

      铌酸锂晶体（LN）在透明窗口、非线性光学、电光、声光、热光效应和调制速度等多方面具有综合优势，是构建新一代集成光电器件和光学系统的关键性基础材料，被誉为光量子时代的“光学硅”。为了获得更高层次的光子集成，需要充分利用纵向维度，将材料修饰由二维表面扩展到三维空间，实现微纳光子结构的真三维制造。然而，由于LN固有的稳定性和高损伤阈值，传统工艺很难在晶体内部进行有效的三维微纳加工。

 

      超快激光具有极短脉冲持续时间和极高峰值功率，能够在透明介质内激发非线性光吸收，实现高精度的空间选择性材料修饰。超快激光与LN的相互作用涉及非线性光吸收、能量传递和物质改性等过程，可以引起LN局部物质结构或化学组成的变化，使之呈现新的性质，从而在三维空间中按需创建LN基功能化微结构。通过调控超快激光加工工艺参数，人们已经在LN内部获得了多种不同类型的修饰，如折射率变化、内部空腔、局部非晶化、铁电畴反转等，为探索LN光子学、发展先进制造技术、构建集成光学系统提供了有力工具。

 

图1超快激光在LN内部诱导折射率变化的基本模式

 

      其中，超快激光诱导LN折射率变化可以实现单线、双线、凹陷包层光波导结构，可以实现对光的有效引导和调控，为实现更高密度、更复杂的LN三维光子集成奠定了基础。超快激光诱导的局部非晶化、内部空腔可以构建由光子晶格组成的微纳光子器件。在最近十年里，超快激光在LN内部的局部改性研究不仅实现了经典光子器件的高质量制备，还发现了一批全新的超快激光修饰机制和微纳光子结构。例如，超快激光诱导的LN纳米级畴反转，为实现非线性三维光子晶体提供了全新思路。此外，将超快激光诱导的非晶化修饰和LN本身的双折射特性相结合，人们还提出一种高效的多维光存储技术，用于实现高密度、低能耗的永久数据保存。

 

图2 超快激光在LN内部诱导畴反转

 

图3 超快激光诱导局部非晶化用于多维光存储

 

      综上所述，超快激光在LN内部诱导微纳光子结构的研究为强场物理和集成光学领域带来了新的研究热点，为制备更复杂的微纳光子器件和光学系统提供了新的思路。未来，深入研究超快激光诱导LN内部微纳光子结构有望为量子技术、大数据存储、先进光调制和通信技术等领域的发展提供更多令人振奋的发现。

 

2.大型工程结构静动态变形摄像测量方法与应用（特邀）

作者：于起峰，张强，陈文均，尹义贺，陈铭杰，雷雨，刘立豪，刘肖琳，张跃强，胡彪，丁晓华

单位：深圳大学

文章概述：

      变形测量是大型工程建设与运维的基础性、常规性任务，是实验力学、结构健康监测学科最重要的内容之一，现有测量方法难以精准高效经济地实现大型工程结构的大尺度高精度测量需求，迫切需要建立新的测量方法和技术。

 

      近年来，以摄像机/照相机为传感器的摄像测量理论手段具有非接触性、精度高、低成本等优势，被逐步应用于各种工程结构测量中。深圳大学于起峰院士团队结合团队的相机网络测量方法与系统，从摄像测量系统基本组成出发，总结了单相机、多相机摄像测量系统，介绍了常用的图像采集、相机标定、特征提取与跟踪、变形计算等方法，论述了目前摄像测量技术在长期监测和快速检测领域的相关应用、以及影响摄像测量系统稳定性的主要因素。

 

      尽管大型工程结构变形摄像测量技术展现出广阔的应用前景，但其在实际应用中仍面临若干挑战，基于摄像测量的结构健康监测系统能够长期稳定应用的案例相对较少。在实验室中，由于环境条件可控，图像采集系统能稳定地获取高质量的图像或视频，并通过后期处理获得准确的监测结果。在实际的现场监测中，系统面临更多复杂的挑战，如安装条件的限制、环境振动、测量距离、图像采集和传输速率等问题。此外，图像处理还需适应温度波动、光线不均匀变化和遮挡等因素，确保长期稳定且实时的监测，并能实时处理图像数据，输出准确可靠的位移信息。

 

      针对上述问题，深圳大学于起峰院士团队提出的串联和并联相机网络系统，不受严格稳定测量平台的限制，可将系统直接布置于施工影响区域或变形体上，形式灵活且可规避光照、振动等部分外部干扰，大幅扩展了摄像测量的工程适应性和使用场景，同时可以为大型工程结构提供时间和空间两个维度上的多点实时动态测量数据，有望成为一种广泛使用的大型工程结构变形新选择。随着技术的发展，未来的大型结构变形测量将更加依赖于先进的精密传感器技术，为智慧城市、数字孪生提供感知手段和数据灵魂。未来研究还需要关注系统的自适应能力，如何利用各种技术手段消除外界各种环境影响，增加系统的长期适用性和稳定性，并实现更高程度的自动化和远程监测，是影响摄像测量应用的关键因素。

 

 

3.用于远程气体探测的双波长中红外激光器（特邀）

作者：吕新杰, 杨彬, 姚红权, 汪小涵, 吴悔, 卜令兵, 祝世宁

单位：南京大学

文章概述：

      众多有毒有害气体在中红外波段的吸收强度远高于近红外波段，中红外激光可用于远程气体探测，对工业生产、环境保护和安全防护具有重要意义。南京大学祝世宁院士课题组介绍了基于铌酸锂超晶格晶体的双波长输出的光参量振荡器（OPO）。该激光器为纳秒级窄线宽输出，其中一支波长对准目标气体的吸收峰。采用该激光器构成的箱式远程探测系统，实现了SO₂等多种气体的远程探测。

 

      南京大学祝世宁院士课题组采用单频脉冲输出的1064 nm激光器作为OPO的泵浦源，采用偏振分频的方式形成偏振和脉冲间隔输出的500 Hz脉冲序列，分别输入到两个正交偏振的OPO中。两个OPO中的一个采用殷钢臂对谐振腔长进行精密控制，使出射的中红外波长保持稳定。为了压窄OPO的线宽，作者尝试了光栅、腔位相匹配OPO（SOPO）注入、分布反馈半导体（DFB）注入和连续单频OPO注入的方式，针对所需波长对注入方式进行了优化。通过平移多通道铌酸锂晶体，OPO可在2.6 μm~4.0 μm范围内调谐，并通过精密温度调谐和种子注入方式获得窄线宽的输出。在10 mJ泵浦下，OPO的输出达到1 mJ，差分反射信号明显。

 

      上述两个OPO输出的正交偏振中红外激光通过偏振合束形成共轴激光，通过可旋转的望远镜系统发射并接收，实现了公里级的气体浓度探测。针对除SO₂、NO、NO₂外的其他气体，本装置可以灵活调谐波长，实现诸如CH₄、甲基苯胺气溶胶等探测，具有较强的实用价值。

 

系统原理图

 

泵浦激光器的工程化设计

 

双波长光参量振荡器的工程化设计

 

中红外差分远程气体探测

 

4.高能半导体泵浦碱金属激光器的发展和挑战（特邀）

作者：许晓军

单位：国防科技大学

文章概述：

       半导体泵浦碱金属激光器（DPALs）是一种以大功率窄线宽半导体作为泵浦源、以碱金属原子蒸气作为激光工质的新型气固融合式激光体系，兼具化学激光器流动散热、高光束质量和全固态激光器电能驱动、高效紧凑的优势，是新一代电能型、轻量化、高效率、高光束质量的单口径高能激光光源。

 

      自 2003 年美国利弗莫尔实验室首次验证铷激光以来，基于一系列原理验证和分析评估，DPALs 的功率放大潜力逐步得到关注和认可，俄罗斯、日本、以色列和我国相继开展研究。据公开报道，利弗莫尔实验室早于 2016 年已实现 34 kW 功率，并持续推动功率放大和工程应用。

 

      国防科技大学高能激光技术团队于 2009 年启动碱金属激光技术研究，2011 年国内首次实现铷激光，建立先进数值仿真模型，深入开展物理机制探索，原创性提出原子浓度、介质温升等关键参量诊断测试方法，相继验证横向泵浦、MOPA 等功率拓展方案，持续推动窄线宽半导体泵浦源、碱金属增益腔室等核心器件的攻关研制，于 2017 年成功实现半导体泵浦流动介质铷激光，推动我国 DPALs 的发展步入新阶段。研究团队致力于 DPALs 的全方位解决方案，持续探索优化的激光体系结构，分析潜在的物理瓶颈和解决方案，推动关键器件的国产化研制，验证全自主技术路线，为 DPALs 的快速发展坚实基础。

 

      同时，DPALs 的发展催生了一系列新型半导体泵浦气体激光概念的诞生，研究团队前瞻开展了多样化的技术探索，实现铷-氩准分子体制激光器，提出半导体泵浦掺稀土离子纳米气体激光的新概念，首次验证了等离子体射流型亚稳态惰性气体激光等，建立了完备的新型气态激光研究理论体系和实验环境。

 

 

5.光子太赫兹通信技术研究进展（特邀）

作者：余建军

单位：复旦大学

文章概述：

 

      复旦大学余建军教授系统阐述了宽带光子辅助太赫兹（0.1~10 THz）通信技术在未来6G通信中的重要作用和应用前景。太赫兹波段频率高、带宽大，可实现100 Gb/s以上超高速率，满足数据密集型新应用的需求。但产生与接收太赫兹信号的全电子技术受到设备带宽等的限制。光子辅助太赫兹技术以其可以生成高频率稳定信号的独特优势，能突破电子技术的瓶颈，推动太赫兹通信实现重大进展。

 

      文中系统地归纳总结了宽带光子辅助太赫兹通信技术的研究现状与进展。在大容量太赫兹传输方面，介绍了采用多输入多输出（MIMO）、高阶调制、波分复用（WDM）等多种多维复用技术；在长距离太赫兹传输方面，介绍了设计高增益天线模块，并运用概率整形等技术从而扩大系统容量与延长传输距离的办法；在实时太赫兹通信方面，介绍了基于商用数字光学传输模块实现100 GbE级传输速率的成果；在通信与感知的深度融合方面，分别介绍了基于时分和频分复用模式实现数据传输和环境感知。此外，利用金属空芯光纤低损耗传输太赫兹信号，也是一种很好的办法。

 

      文中同时介绍了余建军教授课题组在宽带太赫兹通信和感知的多个领域取得原创性技术突破与实验验证成果。如在大容量传输方面，20公里光纤加54米无线空间实现单向6.4 Tbit/s的传输；在长距离无线传输方面，335 GHz载波实现400米传输距离与25.6 Gbit/s的传输速率；在实时通信方面，在330~500 GHz频段实现标准化100 GbE数据接口；在通信感知一体化方面，使用340 GHz信号同时实现38.1 Gbit/s数据传输速率与1.58厘米距离分辨率的高精度环境探测。

 

      展望未来，实现更长距离与更高速率的太赫兹无线传输依然面临挑战。公里量级的太赫兹信号传输与Tbit/s级的速率是将来期待的目标。另外，从点对点链路向网络的演进也需研发与规划。此外，关键器件的性能提升与国产化也是重点。如超过260 GHz的太赫兹低噪声放大器、超过300 GHz的功率放大器仍有待突破。在传输介质方面，针对太赫兹传输的有线光纤的口径与尺寸缩小与柔性增强也将推动其应用。

 

参考文献：

张雁. 六十载砥砺前行薪火传，新时代激光音符奏华章——

《激光与光电子学进展》创刊六十周年[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(1): 0100001.

 

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/1ETzyfUHmBGIpvD7GOnkng