期刊基本信息
创刊：
1974年 • 半月刊
名称：
中国激光
英文：
Chinese Journal of Lasers
主管单位：
中国科学院
主办单位：
中国科学院上海光机所
中国光学学会
中国光学学会
出版单位：
中国激光杂志社
主编：
李儒新
执行主编：
罗毅
副主编：
骆清铭 张镇西 李学春 陈岐岱 顾冬冬 周朴
ISSN：
0258-7025
刊号：
CN 31-1339/TN
电话：
021-69917051
邮箱：
地址：
上海市嘉定区清河路390号
邮编：
201800
定价：
155元/期
中国激光 第48卷 第19期
天津大学在“文化大革命”后期经历了战备疏 散,其中精仪学院教师的战备疏散地位于天津廊坊 附近的万庄公社。本人研究生毕业后留校在量仪教 研室任教,后随之去了万庄公社。期间,量仪教研室 的几位老师谈到“国际学术界出现了一种先进的学 科技术———激光”,美国梅曼于1960年发明了世界 上第一台红宝石激光器,美国学者汤斯和俄罗斯学 者巴索夫及普罗霍洛夫共同获得1964年度诺贝尔 物理学奖。在1968—1969年,精仪系领导们讨论决 定:由叶声华、姚建铨、任国权、虞启琏、张达聚五位 老师从万庄公社调回天津大学从事激光研究,并任 命叶声华为组长,这比第一代红宝石激光器出现的时间整整晚了8~9年。
超快光学参量振荡器(OPOs)是获得高重复频率、高平均功率、宽光谱调谐脉冲输出的理想途径,为化学、生物、纳米光子学等领域的研究提供了强有力的手段。随着掺Yb 3+光纤飞秒激光器输出功率的不断提升及非线性晶体制备工艺的成熟,Yb光纤激光器泵浦的飞秒OPOs发展势头变得锐不可挡。回顾了近年来光纤飞秒激光器泵浦的OPOs的研究进展,介绍了利用飞秒OPOs拓宽波长覆盖范围、提升脉冲重复频率、获得少周期脉冲产生、实现结构光场输出的具体技术方案。最后介绍了飞秒OPOs在纳米光子学、拉曼光谱技术领域的应用。
非线性光学 光学参量振荡器 光纤飞秒激光器 少周期脉冲 结构光场 纳米光子学 中红外(波长为2~20 μm)集成光学在光谱分析、环境监测、医疗诊断、通信测距等领域具有广泛的应用前景。在现有的中红外集成光电子材料中,“IV族”半导体材料(如硅、锗、锡、石墨烯等)具有超宽的光谱带宽、出色的光电特性、良好的物理化学稳定性、器件制作与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)技术兼容等优势,得到了广泛的关注。回顾了基于“IV族”材料的中红外集成光电子的发展历程,重点针对近年来新兴的中红外锗基集成光电子的器件和应用进行了综述,对中红外集成光电子的发展前景进行了展望和讨论。希望能够为中红外光学、硅基光子学、锗基光子学、光电材料、光学传感和光谱等领域的研究工作者提供有用的参考资料。
集成光学 集成光学器件 红外光子学 非线性光学 中红外集成光电子 锗基 介绍了一种基于复合腔结构的Nd∶YVO4-YVO4-Cr 4+∶YAG 被动调Q内腔拉曼自锁模激光器。利用复合腔结构中基频光谐振腔与拉曼光谐振腔相互独立的优势,通过实验验证了受激拉曼散射(SRS)自锁模效应的存在;同时通过合理地控制拉曼光谐振腔的腔长,优化了基频光与拉曼光的模式匹配,大幅提高了拉曼调Q锁模激光的输出功率及转换效率,在17.15 W 808 nm二极管(LD)泵浦功率下获得了调制深度为100%、平均功率为1.23 W的1176 nm拉曼调Q锁模激光输出,光-光转换效率为7.17%,相比于直腔结构提升50%以上。锁模脉冲宽度为125.8 ps,脉冲重复频率为942.9 MHz,调Q包络重复频率约为70 kHz,脉宽为4.25 ns。将拉曼腔前腔镜的曲率半径由100 mm增加至150 mm,对应的拉曼腔长由120 mm增加至180 mm,在相同泵浦功率下获得了调制深度为100%、平均功率为1.19 W的1176 nm拉曼调Q锁模激光输出,转换效率为6.94%,脉冲重复频率降低至675.6 MHz。这些结果说明了该复合腔结构具备在保证输出功率及转换效率的同时,对1176 nm锁模激光的重复频率进行主动调控的能力。
激光器 全固态激光器 拉曼激光器 被动调Q锁模激光器 复合腔结构 受激拉曼散射自锁模 采用由一对保偏45°倾斜光纤光栅构成的Lyot滤波器,设计了一台脉冲态可切换的掺镱光纤激光器。该Lyot滤波器集成了起偏器和梳状滤波器的功能,为激光器实现耗散孤子锁模提供了光谱滤波效应,从而使激光器产生了中心波长为1038.82 nm、脉冲宽度为5.2 ps的耗散孤子脉冲。随着泵浦功率的增加,非线性偏振旋转反馈机制的切换导致激光器的锁模脉冲态发生了耗散孤子脉冲与类噪声脉冲之间的多重切换。脉冲态切换过程中仅需调节泵浦功率,而不需要改变偏振控制器的状态。该脉冲态可切换激光器可以用于设计更精准可控的多功能光源。
光栅 光束传输 倾斜光纤光栅 掺镱光纤激光器 非线性偏振旋转 耗散孤子 提出并设计了一种基于无机硒化镉(CdSe)量子点(QD)材料作为增益介质的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。该方案结合量子点发光二极管(QLEDs)与分布式反馈布拉格反射镜(DBR)形成电注入量子点垂直腔面发射激光器,并在其垂直衬底方向上结合了电流注入结构及光学微腔结构。通过数值模拟的方法,进行了DBR反射镜参数设计、器件腔长调整等,得到了优化的器件结构。时域有限差分法模拟结果表明,设计的两种腔长器件均可实现单纵模激射,微腔品质因子超过250000。本研究工作提出了一种实现量子点激光二极管的新方案,并通过理论模拟进行验证,展示了此方案的可行性;同时,本工作也为下一步的实验研究提供了理论分析模型及参数指导。
激光器 量子点 垂直腔面发射激光器 硒化镉 时域有限差分法 脉冲光孤子相互作用的动力学行为在超快脉冲激光和光孤子通讯等领域有着重要的研究价值和应用前景。锁模光纤激光器作为产生、观测及操控超快孤子脉冲的优秀非线性平台,推动了孤子动力学领域的快速发展。利用基于光子晶体光纤中高频声光效应的被动锁模光纤激光器,研究了大量光孤子的复杂相互作用。光纤激光器腔内的高频声光相互作用产生的相对稳定的光机晶格将激光器分割成了数百个相互独立的势阱,每个势阱可束缚非稳态的多个光孤子,形成了一种宏观(光机晶格)稳定,局部(每个势阱内)存在剧烈脉冲间相互作用的亚稳态工作状态。在实验中,对激光器的偏振态进行调节可实现势阱中孤子数量和孤子能量的调控。研究结果表明,基于光子晶体光纤中声光效应的高频脉冲激光器可被用来研究大量光孤子脉冲的复杂相互作用,有望为孤子动力学的研究提供新的思路和有潜力的研究平台。
激光器 锁模光纤激光器 声光效应 光孤子 光子晶体光纤 孤子动力学 相较于电神经网络,光神经网络有着速度快、功耗低等优点,逐渐引起了人们的研究兴趣。光蓄水池神经网络是光循环神经网络的一种,适用于处理时序数据,对网络的训练过程比较简单。介绍了蓄水池神经网络的架构、特点以及实现蓄水池需要满足的条件。从具体硬件入手,以串行结构和并行结构两种构建方式进行分类,介绍了光蓄水池神经网络的研究进展。最后分析了当前光蓄水池神经网络存在的问题以及解决方案,并对其未来发展进行了展望。
光纤表面等离子体共振传感器是一类新型光纤传感器,具有灵敏度高、免标记等优点,在化学、生物、环境以及医药等领域展现出广阔的应用前景。伴随着光纤表面等离子体共振传感器在生物化学传感领域的广泛应用,传统标准光纤表面等离子体共振传感器的灵敏度已经难以满足实际应用对检测精度的要求。因此,如何提高传感灵敏度是近年来这一研究领域的热点问题之一。主要介绍了光纤表面等离子体共振传感器灵敏度提高方法的研究进展,并对相关应用进行了探讨。
为了实现复杂环境下力热参量同时检测的需求,提出了一种光纤力热复合多参量传感系统。首先通过可调谐激光器输出窄带激光信号,信号经3 dB耦合器分别进入由多路光纤光栅传感器组成的温度与应变传感单元和标准具。最后,将获取到的温度与应变传感信号及标准具输出的信号共同送入信号处理单元进行解调。为验证设计系统的有效性,进行了一系列的温度和应变实验。实验结果表明,所提多参量传感系统可以在较大的测量范围内进行精确的温度和应变检测。特别地,系统在-252.75~200.94 ℃的温度范围内可以实现温度及应变的准确测量,温度测量误差不超过±0.80 ℃,应变测量误差小于±2.90 με。对比传统的设计方案,所提系统具有结构简单、测量范围大、稳定性好和测量精度高等优势。
为满足空分复用和模分复用系统对大容量、多通道通信光纤的需求,提出了一种新型的沟槽-“十字形”空气孔辅助型多芯少模微结构光纤。利用有限元法(FEM)计算并优化光纤结构参数。结果表明:在工作波长1550 nm处,该光纤实现了LP01、LP11、LP21、LP02、LP31 5-LP模式的稳定传输,有效模场面积分别为113.14、159.70、174.43、104.91、192.74 μm 2,且在传输距离为10 km的情况下,芯间串扰均小于-40 dB,相对纤芯复用因子为62.722。与已报道的多芯少模光纤相比,该光纤具有低串扰和大模场面积的优点,可满足未来大容量、多通道传输系统的需求。
作为生活中最常见的液体,液态水在学术研究中具有重要的地位。但由于水对太赫兹辐射具有极大的吸收系数,长期以来它并不被视为一种合适的太赫兹辐射源。不过近年来已经有研究团队在实验上证实了飞秒激光激励液态水产生太赫兹波的可行性,并且针对这一现象机制的相关理论模型也已被提出。由此可见,对该领域的现有研究成果进行总结,对水乃至其他液体作为辐射源产生太赫兹波的研究是具有重要意义的。对液态水中太赫兹波产生这一研究领域近些年的发展进行概述,包括两种不同的液态水辐射源系统方案的实验设计、与产生的太赫兹波能量有关的因素、相关理论模型的设计思路。最后结合自身理解与当前的研究成果,对这一领域的未来发展方向进行展望。
太赫兹技术 非线性光学 液态水 光致电离 太赫兹波产生 飞秒激光 太赫兹波因其具有独特的优势,在生物医学检测、安全检查、通信和雷达等多种领域具有重要的应用前景,而太赫兹辐射源是太赫兹技术的应用基础,近年来得到了快速发展。基于光学非线性频率变换技术的太赫兹参量辐射源和差频辐射源可以产生调谐范围宽、输出能量高和单色性好的太赫兹波。本文综述了基于受激电磁耦子散射技术的太赫兹参量辐射源以及基于非线性光学差频技术的太赫兹差频辐射源的研究进展,着重叙述了当前太赫兹参量辐射源和差频辐射源在输出频率范围拓展、能量提高和快速调谐等方面的研究进展,以及太赫兹技术在脑创伤检测中的应用研究进展,并分析了光学太赫兹辐射源及其在脑创伤检测应用的关键技术问题以及发展趋势。
非线性光学 太赫兹波 受激电磁耦子散射 太赫兹参量振荡 差频 脑创伤 主要总结了目前利用超材料与不同的材料或者技术结合实现太赫兹波动态调制器件的研究进展。太赫兹波动态调制器件的功能性来源于超材料,其动态响应机制则来源于器件集成的材料和外加驱动。基于超材料对局域电场的多阶增强效应,这种复合式调制器可以实现更低的调制能量消耗、更大的调制深度、更快的调制速度和更丰富的功能。本文以不同的材料或者技术为基础进行分类阐述,分别介绍了太赫兹波动态调制器件的基本调制原理、主要性能参数、驱动方式和研究进展。
发展高性能的光电导天线是推动太赫兹科学及其相关技术不断进步的重要手段。系统地介绍了基于金属和介质超材料的高效光电导天线的研究工作,梳理了此类天线的发展历程并展望了其应用前景。关于超材料天线的研究主要是基于两类方法展开的,第一类是利用纳米级金属/介质超材料操控飞秒泵浦激光与光电导天线衬底间的相互作用,第二类方法则是在原有天线结构的基础上设计微米级金属/介质超材料对太赫兹波进行直接操控。这些基于超材料的新方法极大地促进了光电导天线的发展及其在交叉领域的应用。
太赫兹技术 超快光学 光电导天线 超材料 局域场增强 太赫兹辐射 太赫兹探测 电磁波传播过程中的等离子诱导透明效应以其强烈的色散特性在慢光器件、光动态存储器件、高灵敏度传感器等方面有着广泛的应用前景,而亚波长周期超表面成为了实现此效应常用的手段之一。如何有效调控由亚波长周期超表面与外场相互作用而产生的等离子诱导透明效应则成为了研究的热点。采用太赫兹时域光谱技术对放置在平行平板波导中的等离子诱导透明超表面进行了系统研究。在外部横电模式的激励下,通过改变超表面的结构参数,在理论和实验上实现了基于平行平板波导-超表面系统的等离子诱导透明效应的有效调控。另外,还通过表面电流和电场绝对值分布的模拟对等离子诱导透明效应调控背后的机制进行了探究。所得结果可以为基于等离子诱导透明效应的可调控电磁器件的设计提供一种新的思路。
光谱学 太赫兹技术 平行平板波导 亚波长周期超表面 等离子诱导透明效应 作为捕获与操纵微观粒子的重要手段,光镊技术因其具有非接触和高精度操控等优势在物理、化学和生物医学等领域得到了广泛的研究及应用。飞秒激光超高的峰值功率能够有效激发被捕获物体的非线性光学响应,同时超短的脉冲输出可以在光与物质相互作用的过程中产生更小的热效应,从而在光学微操控中展现出特有的优势。本文综述了飞秒激光光镊的研究进展,详细讨论了其中涉及的非线性效应和应用,并对其发展前景进行了展望。
激光技术 光镊 飞秒激光 非线性光学效应 光学力 随着大型装备制造技术的不断发展,测量尺度的增加与精度需求的提升给现有大尺寸精密测量技术带来了严峻挑战。光频扫描干涉测距在精度、效率、现场适应性、溯源等方面具有良好的综合性能,尤其适合当前工业测量场景下的大尺寸绝对距离测量任务。本文介绍了光频扫描干涉测距的基本原理,总结了关键技术和仪器的研究进展,从提升测量精度与效率的角度出发,探讨了其应用于工业测量领域仍存在的问题、研究方向和发展前景。
测量 绝对测距 光频扫描干涉 大空间坐标测量 工业测量 光场包含了振幅、相位、光谱、偏振等多个维度的信息。传统光电探测器一般仅能感知二维光强信息,若想实现对光场其他维度信息的获取,需利用多个光学元件组合,故存在系统复杂、难以集成等问题。超构表面是一种亚波长尺度的新型平面光学元件。通过灵活的平面结构设计,超构表面可以对光场的振幅、相位、光谱、偏振等多维信息进行调控,从而为轻量化、集成化多维光场感知系统的实现提供可能。详细介绍了国内外基于超构表面实现光谱、偏振、深度等多维光场信息感知的最新研究成果,并对目前超构表面在多维光场感知领域面临的挑战以及未来的发展趋势进行了展望。
随着大数据时代的来临,深度学习被广泛地应用于图像处理、语音识别、自动驾驶等领域。作为一种数据驱动的算法,深度学习应用于光学领域可以有效地提高计算效率和成像质量,接近甚至突破物理极限,并且以光子为媒介诞生的光学神经网络能够突破传统电子神经网络的限制,具有高速、低损耗的优势。通过实例详细分析了深度学习在微纳结构设计与光谱响应预测、全息成像应用、光学感知与成像技术、新型光子驱动神经网络等方向的应用,并分析了深度学习与光学结合存在的挑战,对该领域的发展方向与前景进行了展望。
光计算 深度学习 神经网络 超表面 计算光学 光声成像是一种以超声为媒介的功能性光学成像方法,近年来得到了迅速发展。非接触光声成像技术旨在无耦合液的条件下实现高灵敏、大带宽的光声信号接收以及高质量的图像重建,它在继承传统光声成像技术优势的基础上,提升了探测性能,并扩展了应用领域。本文综述了非接触光声成像的研究现状及其在生物医学领域的应用,概述了目前非接触光声成像技术的物理机理及成像系统的结构,介绍了该技术在无标记术中组织学成像、眼科成像和皮肤光学活检中的特色应用,最后总结了非接触光声成像技术的特点以及未来面临的挑战。
医用光学 光声成像 非接触 功能成像 多模态 生物医学 利用超材料模拟原子系统中的电磁诱导透明现象受到了人们的持续关注,而在超材料中实现主动式电磁诱导透明是其中一个重要的研究方向,在许多领域有着潜在的应用价值。在太赫兹波段上提出了一种新型的主动式电磁诱导透明超材料,其由石墨烯和金属微结构复合而成,其原理是利用金属微结构的场增强特性,结合石墨烯在强场太赫兹下电导率的非线性变化行为,实现对电磁诱导透明效应的非线性调制。为了提升该非线性调制深度,在金属微结构中引入了小开口间隙的谐振单元,以实现更强的近场增强,从而提升石墨烯非线性电导率的变化范围。在0.5 μm开口间隙下,模拟获得了高达360.7的场增强因子和49.3%的非线性调制深度。设计思路为实现紧凑的非线性慢光器件提供了参考。
材料 超材料 太赫兹 石墨烯 电磁诱导透明 非线性调制 功能性近红外光谱(fNIRS)具有无创、非电离、适宜的时间/空间分辨率等优点,已逐渐成为传统脑功能成像技术(如核磁共振成像、脑电图等)的重要补充,越来越多地被应用于脑功能临床研究。然而,在实际应用中,生理干扰(心跳、呼吸和低频振荡等)和随机噪声(散弹噪声和环境噪声等)往往会给fNIRS脑功能成像带来明显的伪影,甚至“湮灭”真实的大脑兴奋信号。为解决这一问题,本文提出了一种基于长短期记忆(LSTM)循环神经网络的滤波模型,采用具有预测和分类功能的复合神经网络分别抑制生理干扰和随机噪声。本文基于fNIRS--扩散光学层析成像方案开展了数值模拟和在体实验,详细描述了网络设计、训练和滤波过程,并将结果与自适应滤波、多周期平均方法进行对比。结果表明,所提LSTM模型可以有效抑制生理干扰和随机噪声,且无需重复测量即可实现较高的重建质量,为基于fNIRS的脑机接口应用提供了一种有效的技术手段。
医用光学 功能性近红外光谱 长短期记忆 循环神经网络 脑机接口 