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《激光与光电子学进展》创刊六十周年特辑③

发布:ZSjie2130阅读:228时间:2024-3-19 16:00:13

 

       为纪念《激光与光电子学进展》创刊六十周年,特推出创刊六十周年编委、青编委特辑,在此对各位倾力支持此次特辑的编委、青编委专家致以最诚挚的感谢!创刊六十周年特辑将以系列推文的形式持续推送,包涵了不同领域不同方向的高质量综述或研究论文,还请多多期待关注。

 

       创刊六十周年特辑③包括了来自中国科学院上海硅酸盐研究所苏良碧研究员(一作)课题组“稀土掺杂碱土氟化物激光晶体的局域结构设计与应用”、中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈研究员(一作)课题组“新型深紫外非线性光学晶体研究进展”,南昌航空大学何兴道教授(一作)课题组“单级VIPA光谱仪应用于角膜及晶状体二维成像光谱色散率研究”,苏州大学李孝峰教授课题组“钙钛矿太阳电池高效光电耦合仿真与机器学习研究”,湖南大学潘安练教授课题组“微型发光二极管全彩色显示研究进展”的特邀文章。

 

1

 

稀土掺杂碱土氟化物激光晶体的局域结构设计与应用(特邀)

 

作者:苏良碧, 马凤凯, 张振, 姜大朋, 张中晗, 寇华敏, 李真, 陈振强, 徐军

单位:中国科学院上海硅酸盐研究所

 

文章概述:

       自1960年第一台红宝石激光器诞生至今,激光材料的发展已有六十多年的历程,一直是激光技术发展的核心和基础之一。“一代材料,一代器件”,激光材料从组成、结构和形态等各方面都得到了长足的发展,从传统的激光晶体、玻璃到透明陶瓷、薄膜、平面波导、光纤、纳米晶等,实现了从三维到零维的全覆盖,推动着激光技术不断地创新发展。同时,激光技术对新波段、高功率、短脉冲不断提出的新需求,持续推动大尺寸、高品质、新结构激光材料探索、设计和制备技术的发展。

 

       长期以来,通过激活离子和基质晶体的相互组合,人们获得了数以千计的激光晶体材料。但是,具有高光学晶体质量且能够广泛应用的激光晶体为数不多。受限于激活离子和基质晶体的数量有限,这种排列组合已遭遇发展瓶颈,发掘新材料的空间越来越小。近来,通过晶体功能基元(激活离子局域结构)设计激光新材料的研究思路引起了人们的广泛关注。

 

       中国科学院上海硅酸盐所苏良碧研究员课题组以稀土掺杂碱土氟化物激光晶体为研究对象,简要概述了萤石型氟化物晶体稀土离子团簇结构的基本特征、稀土离子局域结构的演变规律,围绕近红外1 μm波段Nd/Yb:Ca/SrF2、中红外2~3 μm波段Tm:Ca/SrF2和Er:Ca/SrF2晶体,从结构设计、光谱性能调控到超快/宽调谐激光应用,阐述了局域结构设计在探索激光新材料方面的最新研究进展和实践。通过局域结构设计,形成激活离子局域配位场可操控的团簇结构,实现稀土掺杂氟化物晶体光谱形态剪裁和激光性能调控,为激光材料的发展提供了新思路。

 

图 稀土掺杂氟化物激光晶体的局域结构设计与光谱性能参数调控

 

2

 

新型深紫外非线性光学晶体研究进展(特邀)

 

作者:潘世烈, 张方方

单位:中国科学院新疆理化技术研究所

 

文章概述:

 

       中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈研究员系统阐述了新型深紫外非线性光学晶体的研究进展。非线性光学晶体是激光器输出紫外、深紫外激光的关键核心材料。我国在硼酸盐非线性光学晶体材料的研究方面处于世界前列,我国发明的β-BaB2O4(BBO)、LiB3O5(LBO)紫外非线性光学晶体已实现全球产业化应用,KBe2BO3F2(KBBF)晶体突破了200 nm“深紫外壁垒”,是目前全球唯一在实际应用中直接倍频输出深紫外激光的晶体。随着深紫外激光技术的飞速发展,探索综合性能优异的新型深紫外非线性光学晶体变得尤为迫切。

 

       文中指出深紫外非线性光学晶体必须同时具有短紫外截止边、大的二阶非线性光学效应以及大的双折射率和小的折射率色散等基本性能,然而由于上述基本性能之间相互影响和制约,能同时具有三个优异性能的材料极少。此外,还要求材料能生长出高质量大尺寸单晶、加工出满足应用需求的晶体器件等。正是由于上述苛刻的条件,探索综合性能优异的深紫外非线性光学晶体材料仍是一项重大挑战。文中着重介绍了国内外报道的基于实验测得的折射率拟合色散方程、相位匹配波长达到深紫外区的晶体,系统介绍了其材料设计、晶体制备、基本性能以及结构-性能关系等方面的研究进展。

 

       文中同时介绍了潘世烈研究员课题组在氟化硼酸盐深紫外非线性光学晶体的设计、制备方面取得的原创成果。与硼酸盐相比,氟硼酸盐中用F原子部分取代[BO4]基团中的O原子形成氟化硼氧基团,其在保持大的HOMO-LUMO能隙同时,超极化率、极化率各向异性均较[BO4]基团得到了显著提升,因此可利用氟化硼氧基团设计同时具备“大带隙-大效应-大双折射率”的新材料。

 

       展望未来,现有的深紫外非线性光学晶体亟待进一步突破高品质、大尺寸单晶的稳定生长技术及其器件加工工艺,推进其在物理、化学、材料、信息等交叉学科科学研究领域、以及激光光刻、高密度存储、高分辨率成像、激光微加工等领域的重要应用。另外,借助人工智能手段或可加速其研发进程。预测稳定的晶体结构是基于人工智能设计高性能材料的重要环节,因此有待开发适用的预测软件和机器学习模型。此外,人工智能是否可加速复杂体系深紫外非线性光学晶体生长也值得关注。

 

新型深紫外非线性光学晶体

 

3

 

单级VIPA光谱仪应用于角膜及晶状体二维成像光谱色散率研究(特邀)

 

作者:何兴道, 许锦, 刘明轩, 史久林

单位:南昌航空大学

 

文章概述:

 

       生物组织粘弹性与组织的生长发育和疾病有着显著的相关性,检测组织的粘弹性,能够解决一些诊疗任务。布里渊散射弹性成像技术作为一种光学粘弹性检测技术,采用低功率聚焦激光束与生物组织相互作用,产生自发布里渊散射,通过高分辨共焦光谱仪获取散射光谱的频移和线宽等信息,进而反演生物组织粘弹性。该技术具有无标记、无创、无外部激励和高分辨的特点,能够在柔软和异质材料内部进行力学分析,提供了一种新的实验工具来探索生物组织的微观力学特性,进而有利于分析粘弹特性在组织和细胞的生理和病理中发挥的关键作用。

 

       基于单级VIPA的布里渊散射成像技术具有结构简单、高光通量的特点,在透明生物组织弹性快速检测方面具有优势。眼角膜和晶状体是典型的透明组织,但由于单级VIPA光谱仪中布里渊信号易被弹性散射淹没,限制了其信噪比和分辨率的提高,成为将来作为临床进一步应用的技术瓶颈。

 

       在此背景下,本团队利用VIPA的傍轴近似色散模型,理论探究了单级VIPA光谱仪各器件参数对光谱仪色散率的影响。在实际测试系统中,将一种变焦镜头与高分辨CMOS相机结合的信号接收装置进行了有效的参数设计与系统匹配,进一步探究了色散率改变对其他光谱仪性能的影响。应用该单级VIPA光谱仪,实现了猪眼角膜和晶状体二维频移成像。

 

图 布里渊检测系统实验装置及猪眼晶状体频移测量结果

 

       单级VIPA光谱仪是布里渊散射弹性成像系统中获取频移和线宽等信息的重要仪器,色散率表征了光谱仪的色散能力。改进后的单级VIPA光谱仪实现了0.045 GHz/pixel的色散率,色散率的降低能减少布里渊光谱中瑞利信号的串扰,将布里渊信号对比度提升至0.205,频移测量精度为0.038 GHz。该技术突破了在眼组织成像方面的限制,实现了距离角膜表面4 mm深度处的晶状体的二维频移成像。

 

       未来,更高的信号对比度使得该系统能够用于对透明度较低或更深层组织进行粘弹性成像。同时,频移测量精度显著降低,有利于区分早期病变组织与正常组织,在病变组织的早期诊疗方面具有巨大潜力。

 

4

 

钙钛矿太阳电池高效光电耦合仿真与机器学习研究(特邀)

 

作者:孔瑞盈, 韦怡君, 陈嘉诚, 马天舒, 詹耀辉,李孝峰

单位:苏州大学

 

文章概述:

 

       钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其在功率转换效率和制造成本方面的显著优势而备受关注。由于PSCs具有材料、结构、光学、电学等众多参数,高性能PSCs的实验研究极具挑战。因此,基于PSCs的理论设计能够为高效电池研发提供有力技术支持和理论指导。

 

       然而,PSCs 的理论设计分为光学和电学设计两大块。现有的模拟软件是光、电分离的。且光伏多物理场耦合建模设计极其复杂,建模仿真工作量大,计算资源消耗大。

 

       结合细致的光吸收和载流子输运分析,苏州大学李孝峰教授课题组建立了严格的光电多物理场耦合模型,开展一系列多物理场仿真计算,研究光电耦合模型的底层物理和边界条件,获得 PSCs 包括光学性能和电学性能的大量数据。根据这些数据,建立微观物理量和宏观光电响应的神经网络及机器学习模型(图1),成功预测PSCs的光学和电学性能,其误差在3%以内,且速度较快。

 

图机器学习等智能算法和光伏器件多物理场设计的有机结合

 

       同时,结合遗传算法,模型可以根据给定的响应曲线反向设计以获得其微观物性参数,从而分析太阳电池性能,并进一步设计出与所要求的性能相对应的最佳参数,进而获得更高效率的PSCs。实现光伏器件“结构/材料”到“光电响应”正向预测和反向设计的双重功能。

 

       该研究有效解决了PSCs因光电耦合机制复杂、物性参数众多、仿真速度较慢而难以优化设计的难题,为光伏器件快速智能化设计提供了一种可行路径。此外,将训练好的深度学习网络及优化算法模型,打包构建成易于操作的图形化界面,有望为光伏器件多物理场设计的推广和产业化奠定基础。

 

5

 

微型发光二极管全彩色显示研究进展(特邀)

 

作者:黄丽香, 韩冰, 闫龙, 赵项杰, 朱酉良, 林肖, 李梓维,潘安练

单位:湖南大学

 

文章概述:

 

       随着新一代超高清、可穿戴等显示技术的发展,人们对高分辨率、高亮度、大色域、低功耗等显示性能的需求愈发强烈。与传统液晶和有机发光二极管显示技术相比,微型发光二极管(Micro-LED)显示器件在尺寸、性能、功耗、使用寿命等方面均具有显著优势,但在制造成本、工艺成熟度方面目前仍面临重要挑战。如何高效率、低成本、可靠地实现全彩色Micro-LED显示已成为行业和学界共同关心的问题。

 

       那么全彩色Micro-LED显示技术的研究进展究竟如何呢?湖南大学潘安练、李梓维教授团队全面系统且细致地总结了该领域面临的技术问题及最新进展,并对未来发展进行了展望。

 

图 mMicroLED全彩色显示制造技术。(a)巨量转移技术;(b)单片集成技术;(c)色转换技术

 

       预见未来显示技术的“终极形态”

 

       显示技术发生了多次重要的技术变革,从最早的阴极射线成像(CRT)、等离子体(PDP),到液晶(LCD)和发光二极管(LED)显示技术,显示技术日新月异的发展改变了人们的生活品质。近年来,随着大尺寸高清、柔性/可穿戴、增强现实/虚拟现实(AR/VR)等显示新形态的发展和演化,Micro-LED显示技术由于其优异的性能正逐渐走上行业赛道的“舞台”。

 

       Micro-LED是Mini-LED尺寸微缩百倍之后的新型半导体发光器件,被誉为未来显示技术的“终极形态”。然而,将Micro-LED的红绿蓝(RGB)像素高密度集成实现全彩色显示仍是产业技术的重要难题,目前Micro-LED全彩色显示技术已取得一些进展,主要有巨量转移技术、单片集成技术和色转换技术(图)。

 

       面向大尺寸面板显示应用,综述和讨论了将Micro-LED芯片转移到目标基板上的巨量转移技术;针对微小尺寸显示器产品,总结了Micro-LED单片集成技术中的材料外延生长方法、激光剥离工艺、层转移及倒装键合等垂直堆叠技术;最后,介绍了利用光刻、模板转印、喷墨打印及微流体技术实现基于量子点色转换的Micro-LED全彩显示。

 

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