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2020年  第49卷  第12期

先进激光器技术
高功率金刚石激光技术研究进展(特邀)
白振旭, 杨学宗, 陈晖, 金舵, 丁洁, 齐瑶瑶, 李森森, 闫秀生, 王雨雷, 吕志伟
2020, 49(12): 20201076. doi: 10.3788/IRLA20201076
[摘要](194) [HTML全文] (30) [PDF 2102KB](36)
金刚石拥有已知材料中最高的热导率、低的热膨胀系数、高度的化学惰性及优异的光学性能,使其能够在机械、光学和材料学等领域满足诸多极端条件的应用需求。近年来随着化学气相沉积制备工艺的提高,使得人造金刚石的光学品质得到快速提升,光学级的金刚石晶体因此也以其优异的拉曼和布里渊特性表现出优异的功率提升、相干性增强以及频率转换能力,并推动金刚石激光器在极大程度上克服了基于传统工作物质的粒子数反转激光器存在的热效应、以及波长和输出功率难以兼顾的难题。文中总结了高功率金刚石激光技术的研究进展,并对金刚石激光器的发展趋势和应用前景进行了展望。
850 nm高速垂直腔面发射激光器技术研究进展(特邀)
佟海霞, 佟存柱, 王子烨, 陆寰宇, 汪丽杰, 田思聪, 王立军
2020, 49(12): 20201077. doi: 10.3788/IRLA20201077
[摘要](64) [HTML全文] (26) [PDF 1327KB](22)
垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有低成本、低阈值、高速率和低功耗等优点,在短距离光互连中有着重要的应用。随着大数据、超级计算机技术的发展,短距离光互连性能需求越来越高,从而对高速调制的850 nm VCSEL技术提出了更高要求。从带宽限制机理、调制新方法两方面详细回顾了高速850 nm VCSEL技术最新进展,对技术发展趋势进行了总结与展望。
随机激光研究综述(特邀)
杜文彧, 胡志家, 曹志刚, 张国生, 汪艳, 罗卫东, 俞本立
2020, 49(12): 20201052. doi: 10.3788/IRLA20201052
[摘要](128) [HTML全文] (58) [PDF 2010KB](44)
随机激光器由于其独特的结构和低相干性,在无散斑成像、传感、光治疗等领域中得到广泛应用。随机激光器的反馈机制是无序介质引入的光散射,高阈值和无方向性是其主要缺点。为解决这些问题,研究者们利用光纤的一维束缚获得低阈值并有一定方向性的光纤随机激光。近十年来,随机激光的发展经历了从非相干反馈到相干反馈、从完全无序到输出参数可控的过程。大量研究尝试用量子理论、混沌激光理论和数值分析等方法来解释随机激光的物理本质。回顾了随机激光和光纤随机激光的起源和发展历史,介绍了随机激光的分类和相关原理,总结了调控随机激光输出参数的方法并展示了随机激光的新近典型应用,分析了光纤随机激光的反馈类型和增益机制,并在最后展望了随机激光未来的发展趋势。
LD泵浦的高重复频率全固态飞秒激光器(特邀)
郑立, 汪会波, 田文龙, 张大成, 韩海年, 朱江峰, 魏志义
2020, 49(12): 20201069. doi: 10.3788/IRLA20201069
[摘要](53) [HTML全文] (15) [PDF 1611KB](18)
GHz飞秒激光器相比于传统的百MHz飞秒激光器,其频域中相邻纵模的间隔更大、可分辨率更高,相同光谱范围内纵模密度更小,每个纵模分得的平均功率相对更高,在梳齿可分辨光谱学、直接频率梳光谱学、光学任意波形产生以及天文摄谱仪校准等诸多领域有着更重要的应用价值。文中从GHz飞秒脉冲的产生方案出发,着重对激光二极管泵浦的GHz重复频率全固态飞秒激光的产生方案以及相应的技术挑战进行了详细介绍,然后重点综述了国际上基于SESAM被动锁模以及克尔透镜锁模全固态GHz飞秒激光器的研究进展,并结合笔者所在课题组取得的初步研究结果对全固态GHz重复频率飞秒激光器的应用价值以及笔者所在课题组的研究目标进行了展望。
光子集成混沌半导体激光器研究进展(特邀)
柴萌萌, 乔丽君, 张明江, 卫晓晶, 杨强, 徐红春
2020, 49(12): 20201066. doi: 10.3788/IRLA20201066
[摘要](51) [HTML全文] (25) [PDF 1915KB](14)
混沌激光具有宽频谱、类噪声、低相干等特性,在保密光通信、高速随机数、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪和分布式光纤传感等领域具有重要的应用价值。光子集成混沌激光器是混沌激光应用的核心器件,具有体积小、性能稳定、成本低等优点。综述了近十年来光子集成混沌半导体激光器的进展及其主要应用。首先介绍了混沌半导体激光器的集成方式;接着介绍了光子集成混沌半导体激光器的分类,根据其扰动方式讨论了直腔单反馈、多腔反馈、环形腔反馈、二维外腔反馈、互注入等结构,并对比分析了各自的优势与输出特性;然后介绍了光子集成混沌半导体激光器在光时域反射仪、保密光通信和高速随机数产生等方面的应用;最后,讨论了光子集成混沌激光器的关键集成技术、时延特征抑制及间歇混沌的特性。
高功率激光驱动器光束匀滑技术研究(特邀)
高妍琦, 李福建, 季来林, 赵晓晖, 夏兰, 冯伟, 刘栋, 史海涛, 刘佳妮, 饶大幸, 崔勇, 马伟新, 隋展
2020, 49(12): 20201074. doi: 10.3788/IRLA20201074
[摘要](35) [HTML全文] (20) [PDF 1645KB](8)
激光驱动惯性约束聚变的打靶过程中,光场不同空间频率的不均匀性会引起内爆的流体力学不稳定性、印痕效应和激光等离子体不稳定性。这些不稳定过程将最终影响内爆压缩倍率,从而影响到点火。为了控制焦斑不均匀性进而抑制不稳定过程,人们提出了束匀滑技术:通过光场调控控制焦斑分布特性,进而控制束靶耦合过程。束匀滑可分为空间域匀滑和时间域匀滑。空间域匀滑通过控制波前形态获得平整的焦斑包络,降低低频不均匀性。时间域匀滑通过控制光束的相干性减弱激光焦斑中的散斑,进而减弱中高频不均匀性。随着抑制更高激光功率密度条件下激光等离子体相互作用的需求愈发紧迫,涌现出一些新型的束匀滑方法。文中介绍了束匀滑技术在大型激光装置上的使用情况,并对目前提出的各种束匀滑技术进行了总结和分析。
极低时间抖动的飞秒激光技术(特邀)
皮一涵, 王春泽, 宋有建, 胡明列
2020, 49(12): 20201058. doi: 10.3788/IRLA20201058
[摘要](73) [HTML全文] (27) [PDF 1415KB](25)
飞秒激光器的时间抖动(或定时抖动)是指其输出脉冲的时域位置相对于理想周期信号的短期随机偏差。在毫秒量级的时间尺度上,飞秒激光器的脉冲序列具有严格的一致性,其定时抖动甚至低至阿秒量级。飞秒激光器的这种独特性质及其支持的前沿应用构成了“阿秒时间精度的超快光子学”这一全新的超快研究分支。文中回顾了近年来飞秒激光器定时抖动研究进展、高时间分辨率的定时抖动测量技术、以及不同类型的飞秒激光源能够达到的最低抖动水平。最后介绍了低抖动飞秒激光器在大科学装置同步、高速模数转换、绝对测距、相干脉冲合成等领域的应用。
用于精密测量的低噪声激光器研究进展(特邀)
王雅君, 高丽, 张晓莉, 郑耀辉
2020, 49(12): 20201073. doi: 10.3788/IRLA20201073
[摘要](70) [HTML全文] (27) [PDF 1676KB](20)
激光精密测量的测量精度主要受限于光场噪声和各种技术噪声,在去耦合技术噪声后,光场量子噪声成为限制其测量精度的主要因素。文中针对全固态单频激光器强度噪声特性,阐述强度噪声的主要来源及其对功率噪声谱的影响,回顾了传统直流反馈控制、光学交流耦合反馈控制和量子压缩器三种强度噪声抑制技术。通过回顾相关技术的发展历程,总结了强度噪声抑制技术的当前发展水平和未来发展趋势——三种技术相结合的抑噪方案是解决高灵敏度探测的重要途径。
啁啾脉冲光学参量振荡器及宽谱中红外激光的产生(特邀)
刘沛, 衡家兴, 张兆伟
2020, 49(12): 20201051. doi: 10.3788/IRLA20201051
[摘要](40) [HTML全文] (20) [PDF 1895KB](13)
宽谱中红外激光光源在红外显微光谱学、环境监测、医疗诊断以及超短脉冲产生等领域有着广阔的应用前景和急迫的需求。聚焦同步泵浦光学参量振荡器(SPOPO)的输出光谱带宽,提出了一种能够有效消除泵浦脉冲宽度对于SPOPO宽谱输出性能的限制的运转模式,即啁啾脉冲光学参量振荡器(CPOPO)。提出并介绍了基于自相位调制(SPM)效应和采用啁啾准相位匹配(CQPM)晶体这两种CPOPO的具体技术方案。基于周期极化铌酸锂(PPLN)晶体成功实现了以宽谱啁啾脉冲运转的CPOPO,最终分别获得了覆盖2.9~4.1 μm (约30 THz)、功率为92 mW和2.9~5.0 μm (约44 THz)、功率为64 mW的宽谱中红外激光输出。
2 µm单掺Ho固体激光器及ZnGeP2晶体应用于中长波输出的研究进展(特邀)
刘高佑, 魏迪生, 陈毅, 杨科, 密淑一, 李俊辉, 杨超, 王瑞雪, 段小明, 戴通宇, 姚宝权, 鞠有伦, 王月珠
2020, 49(12): 20201056. doi: 10.3788/IRLA20201056
[摘要](29) [HTML全文] (14) [PDF 1274KB](11)
2 µm、中波红外3~5 µm及长波红外8~12 µm波段的激光处于大气传输窗口,在激光医疗、环境监测、激光雷达、化学遥感和红外对抗等领域有着非常广阔的应用前景。基于非线性频率转换技术,采用非线性光学晶体在实现中长波红外固体激光输出方面具有结构简单、宽调谐和高功率等技术优势。尤其是使用2 µm单掺Ho固体激光器泵浦ZnGeP2晶体,在3~5 µm和8~10 µm中长波红外输出中性能优异。在平均输出功率方面,目前可达到102 W@3~5 µm、12.6 W@8.2 µm以及3.5 W@9.8 µm的输出水平,光束质量M2均小于3,其中中波的光光转换效率可达60%。文中针对2 µm单掺Ho固体激光器及ZnGeP2晶体在中长波输出方面进行了总结。
直接输出的超短脉冲轨道角动量涡旋光产生技术研究进展(特邀)
汪莎, 张志成, 邓国亮, 周寿桓
2020, 49(12): 20201061. doi: 10.3788/IRLA20201061
[摘要](65) [HTML全文] (23) [PDF 1621KB](13)
轨道角动量(OAM)涡旋光是一种具有相位孤立奇点的光场,其相位波前呈螺旋分布,光场复振幅包含螺旋相位项exp(ilθ)。近年来,OAM涡旋光被广泛地应用在光学操控、成像、通信、传感等方面。超短脉冲OAM涡旋光同时具有涡旋光和超短脉冲的优点,可应用于手性材料加工、远距离传输、强场物理研究,非线性频率转换研究等方面。通过激光器直接产生OAM涡旋光具有系统整体简便性高和光束质量好等优势,对国内外基于有源方法产生超短OAM涡旋光的方法进行了总结。目前,通过有源方式产生的超短OAM涡旋光的脉冲宽度还局限于几百飞秒,如何通过直接输出的方法获得百飞秒以内甚至是少周期脉冲涡旋光输出将是未来研究的一个重要方向。
高功率循环流动型半导体泵浦碱金属蒸汽激光器研究进展(特邀)
季艳慧, 何洋, 万浩华, 孙俊杰, 陈飞
2020, 49(12): 20201080. doi: 10.3788/IRLA20201080
[摘要](57) [HTML全文] (24) [PDF 1564KB](16)
半导体泵浦碱金属蒸汽激光器(DPAL)兼具半导体激光器和气体激光器的技术特点,具有量子效率高、受激发射截面大、折射率扰动较小和热管理便捷等优势,可实现高效率、高功率和高光束质量近红外激光输出,在工业制造、军事、医疗和科研等领域具有重要的应用价值。对于封闭静止型DPAL,在高功率泵浦情况下,蒸汽池内工作气体温度升高,热效应严重,造成DPAL性能下降。而循环流动型DPAL利用气体流动带走废热,可显著缓解工作气体的热效应,从而实现高功率激光输出。目前,循环流动型DPAL已成为实现高功率激光输出的主要技术路线,引发了越来越多的关注和研究。文中将介绍循环流动型DPAL的基本原理,概述其国内外发展现状,分析其高功率运转情况下的主要问题和解决途径,并对循环流动型DPAL的发展趋势进行展望。
2~4 μm中红外锑化物半导体激光器研究进展(特邀)
杨成奥, 张一, 尚金铭, 陈益航, 王天放, 佟海保, 任正伟, 张宇, 徐应强, 牛智川
2020, 49(12): 20201075. doi: 10.3788/IRLA20201075
[摘要](27) [HTML全文] (11) [PDF 2368KB](14)
2~4 μm波段是非常重要的红外大气窗口,工作在这个波段的激光器在气体检测,医疗美容和工业加工领域具有十分巨大的应用价值。锑化物半导体材料低维结构具有窄禁带直接跃迁发光的独特优势,是实现中红外波段半导体激光器的理想材料体系。近年来,国内外锑化物半导体激光器研究不断取得重要进展,先后实现了量子阱发光的波长拓展、大功率单管和阵列激光器的室温连续激射,也实现了多波段的单模激光器的室温连续工作。锑化物半导体低维材料组分复杂、界面钝化性质特殊,材料外延和工艺制备技术难度较大。文中从锑化物半导体激光器的基本原理出发,综述了国内外研究现状,介绍了锑化物材料低维结构激光器的设计方案、关键制备技术的主要进展,分析了今后该类激光器性能优化的重点研发方向等。
激光光谱合成技术研究进展与展望(特邀)
姜曼, 马鹏飞, 粟荣涛, 李灿, 吴坚, 马阎星, 周朴
2020, 49(12): 20201053. doi: 10.3788/IRLA20201053
[摘要](73) [HTML全文] (21) [PDF 2156KB](31)
光谱合成技术利用色散元件或双色元件,使多路不同波长的激光在近场和远场同时实现空间重叠,合成至单一孔径输出的激光,是实现高功率、高光束质量激光输出的技术途径之一,受到了研究者的极大关注。特别在近十年来,随着光栅等合成元件性能的不断改善,高功率高光束质量的光谱合成激光输出在工业、国防等领域发挥了重要作用,有着广泛的应用前景。文中对半导体激光器和光纤激光器两种典型激光工作介质进行归类,梳理并回顾了光谱合成技术的发展历程,综述了当前高功率光谱合成技术的主流方案与国内外研究现状。此外,结合笔者所在课题组在光谱合成方面的研究工作,展示了光谱合成技术近年的发展态势,并展望了光谱合成技术的未来发展方向。
Ho3+/Pr3+共掺氟化铝基玻璃光纤2.86 μm激光性能研究 (特邀)
张集权, 刘墨, 许念念, 贾世杰, 王顺宾, 王鹏飞
2020, 49(12): 20201062. doi: 10.3788/IRLA20201062
[摘要](37) [HTML全文] (17) [PDF 1356KB](9)
文中使用熔融淬火法制备了氟化铝基、氟化铟基和氟化锆基玻璃样品,通过浸水实验研究了其抗潮解稳定性,结果表明氟化铝基玻璃具有更好的抗潮解性能。因此制备了不同浓度的Ho3+/Pr3+共掺氟化铝基玻璃样品,测试了其透过光谱,表明该玻璃具有高的透过率和宽的透过窗口。在1 150 nm拉曼激光的激发下,获得了样品的发射光谱,并对其发光机理进行了分析。利用吸注法制备了2 Ho3+/0.2 Pr3+掺杂的氟化铝基玻璃预制棒,使用棒管法拉制了氟化铝基玻璃光纤。使用回切法测得光纤在793 nm处的损耗为1.8 dB/m。在1 150 nm激光泵浦下,利用8.6 cm长的Ho3+/Pr3+共掺氟化铝基玻璃光纤作为增益介质,获得了功率为207 mW的2.865 μm激光输出,斜率效率为11.4%。上述研究结果表明,氟化铝基玻璃光纤是一种稳定的中红外激光增益材料。
2 μm GaSb基被动锁模激光器重复频率变化的研究(特邀)
李翔, 汪宏, 乔忠良, 张宇, 牛智川, 佟存柱, 刘重阳
2020, 49(12): 20201054. doi: 10.3788/IRLA20201054
[摘要](49) [HTML全文] (26) [PDF 1470KB](5)
半导体锁模激光器产生的高重复频率的光脉冲序列在众多领域都有着广泛的应用,而对于绝大多数应用,一个固定而准确的重复频率是必须的。由于此种激光器的重复频率主要由激光器波导的有效折射率和腔长来确定,激光器制成以及解理时的不确定性就可能会给其重复频率带来偏差。为了弄清此种激光器的各种工作条件会怎样影响其重复频率从而对上述的偏差进行补偿,设计并制成了一种2 μm GaSb基单量子阱锁模激光器。激光器采用两段式结构(增益区,饱和吸收体区)并可以在高达60 ℃实现稳定的锁模工作模式。系统地记录了此激光器重复频率随偏置条件(增益区电流,饱和吸收体区电压)以及工作温度的变化规律,并且对产生这些变化的原因进行了分析。这些工作能够让人们更加清楚地认识锁模激光器的特性,从而更好地达到各种应用所需要的重复频率。
蓝光二极管双端抽运Pr:YLF晶体320 nm紫外激光器(特邀)
李昕奇, 曲大鹏, 陈晴, 刘天虹, 郑权
2020, 49(12): 20201070. doi: 10.3788/IRLA20201070
[摘要](66) [HTML全文] (30) [PDF 1094KB](17)
设计了一种采用不同波长的蓝光二极管合光作为抽运源并采用双端抽运的方式抽运Pr:YLF晶体320 nm紫外激光器。该激光器结构采用V型折叠腔结构,使用波长分别为444 nm和469 nm、抽运功率分别为3 W和1.4 W的蓝光激光二极管作为抽运源,对12 mm长、0.3%掺杂浓度的Pr:YLF晶体进行抽运,并且使用三硼酸锂晶体作为倍频晶体来实现倍频,匹配方式为I类相位匹配。通过对谐振腔参数进行优化,当5700 mW的抽运功率注入晶体时,输出了1005 mW最大输出功率的320 nm紫外连续激光,光光转换效率约为17.6%。
激光材料与光电子器件
稀土掺杂光功能玻璃及器件应用(特邀)
何冬兵, 胡丽丽, 陈树彬, 唐景平, 王标, 张丽艳, 王欣
2020, 49(12): 20201081. doi: 10.3788/IRLA20201081
[摘要](48) [HTML全文] (14) [PDF 1080KB](8)
稀土的发光和激光性能都是由其4f电子在不同能级之间的跃迁产生的。由于稀土离子的独特性能,使得稀土掺杂光功能玻璃无论作为主动还是被动元器件,均在高功率激光系统发挥着重要作用。掺钕磷酸盐激光玻璃和掺铒磷酸盐激光玻璃,具有高稀土离子掺杂浓度、大尺寸和高均匀制备特性,分别是1 um和1.5 um人眼安全波段重频-大能量激光器的重要增益介质材料;光致热折变玻璃及体光栅器件,可实现波长选择和模式选择功能,具有衍射效率高、热稳定性好和抗损伤阈值高等特点,是高功率激光系统中重要的、多功能元器件。文中主要介绍了上海光机所最近几年在掺钕磷酸盐激光玻璃,掺铒磷酸盐激光玻璃以及掺铈的光致热折变玻璃及体光栅器件的研究进展。
表面增强硫系玻璃Ge28Sb12Se60薄膜非线性吸收(特邀)
刘艺超, 周姚, 赵建行, 周见红, 宋瑛林
2020, 49(12): 20201071. doi: 10.3788/IRLA20201071
[摘要](48) [HTML全文] (19) [PDF 1197KB](9)
文中利用热蒸发以及退火等工艺制备了支持局域表面等离子体激元(LSP)的微纳结构,来增强硫系玻璃Ge28Sb12Se60 (GSS)薄膜的非线性吸收效应;搭建了Z-scan光路,实现了对样品非线性折射与吸收的测量;通过对样品透射光谱的分析,揭示了GSS非线性吸收增强效应的原理。并研究了该微纳结构对不同厚度GSS非线性吸收的增强规律。文中用到的LSP微纳结构制作简单,无需复杂光刻工艺,可为增强材料光学非线性研究提供重要参考。
Growth, structure, and spectroscopic properties of Yb,Ho,Pr:GYTO single crystal (Invited
He Yi, Dou Renqin, Zhang Haotian, Liu Wenpeng, Zhang Qingli, Chen Yingying, Gao Yuxi, Luo Jianqiao
2020, 49(12): 20201067. doi: 10.3788/IRLA20201067
[摘要](15) [HTML全文] (10) [PDF 1318KB](3)
A new mid infrared laser material Yb,Ho,Pr:GYTO crystal was grown successfully using Czochralski method for the first time. The structural parameters were obtained by the X-ray Rietveld refinement method. The X-ray rocking curves of the (100), (010), and (001) diffraction face of Yb,Ho,Pr:GYTO crystal were measured. The full widths at half maximum of those diffraction peaks are 0.036°, 0.013°, and 0.077°, respectively, which indicates a high crystalline quality of the as-grown crystal. Laser Ablation Inductively-Coupled Plasma Mass Spectrometry was used to measure the concentrations of Yb3+, Ho3+, Pr3+, and Y3+ ions in the Yb,Ho,Pr:GdYTaO4 crystal. The effective segregation coefficients of Yb3+, Ho3+, Pr3+, and Y3+ in Yb,Ho,Pr:GYTO crystal are 0.624, 1.220, 1.350, and 0.977, respectively. The room-temperature polarhosized absorption spectra of Yb,Ho,Pr:GdYTaO4 was measured and the corresponding absorption transitions were assigned. The 2.9 μm fluorescence spectrum excited by 940 nm LD presents that the strongest emission is located at 2908 nm. In addition, the Yb-Ho-Pr energy transfer mechanism in GYTO was also demonstrated. Compared with Ho:GYTO crystal, the lifetime of 5I7 level of Yb,Ho,Pr:GYTO crystal is reduced by 87.13%, which is close to that of the upper level 5I6, indicating that Yb,Ho,Pr:GYTO crystal is easier to realize population inversion and laser output.
面向高功率激光隔离器的磁光材料(特邀)
陈杰, 周圣明
2020, 49(12): 20201072. doi: 10.3788/IRLA20201072
[摘要](47) [HTML全文] (25) [PDF 1742KB](7)
磁光材料作为激光隔离器中的核心部分,在激光系统尤其是高功率激光器中起到确保激光单向传输、保护种子源及前端系统、稳定激光输出的重要作用。介绍了目前近红外波段高功率隔离器中磁光材料的国内外研究现状,阐述了磁光材料在高功率条件下的关键磁光特性及其对器件性能的影响。对比了常用的TGG单晶、铽玻璃与数种新型高功率磁光材料如TSAG单晶、TAG陶瓷和TGG陶瓷的高功率性能,重点讨论了掺杂离子和制备工艺对TAG陶瓷高功率磁光性能、热光性能的影响以及最近TAG陶瓷研究的新进展,及其重要应用需求,探讨了仍处于起步阶段的3~5 μm“大气窗口”中红外波段磁光材料的发展方向及前景。
飞秒光参量振荡器的光谱净化和稳定性提升(特邀)
同晖, 覃治鹏, 谢国强, 钱列加
2020, 49(12): 20201060. doi: 10.3788/IRLA20201060
[摘要](45) [HTML全文] (18) [PDF 1100KB](7)
文中首次提出并验证了基于腔内色散管理实现飞秒光参量振荡器(OPO)光谱净化和稳定性提升的方法。对于高功率飞秒OPO,输出脉冲通常具有随时间无序变化的宽带不规则光谱,输出功率波动较大。利用铌酸锂(LiNbO3)晶体在腔内引入额外的负色散,通过泵浦脉冲的时间滤波效应实现了干净平滑的窄光谱近转换极限的飞秒脉冲输出,光谱稳定性和功率稳定性得到了极大改善。该方法是一种实现飞秒OPO光谱净化和稳定性提升的灵活简便的方法,对于发展高功率的超短脉冲OPO具有重要的应用价值。
掺镱PCF的端面处理工艺及激光性能研究(特邀)
冯素雅, 于春雷, 王孟, 王世凯, 胡丽丽
2020, 49(12): 20201065. doi: 10.3788/IRLA20201065
[摘要](19) [HTML全文] (11) [PDF 1283KB](4)
基于自制的掺镱大模场光子晶体光纤,探索出一种高效快速的光子晶体光纤端面处理工艺。使用二氧化碳激光熔接机对光子晶体光纤进行旋转加热处理,并配合大口径光纤切割刀对塌缩区域进行切割。通过对比光纤在不同激光加热功率和加热时间下的塌缩效果,确定了最佳的加热功率和时间。对端面处理后的光纤进行激光震荡实验,测试光纤的激光性能,与未进行端面处理时的激光实验结果相比较,端面塌缩处理没有对光纤的激光性能产生较大的影响。通过所述的实验方法,成功得到高质量光子晶体光纤塌缩端面,空气孔塌缩界面齐整,且没有对光纤本身的激光性能产生较大的影响。实验工艺周期短、成功率高,证明利用激光加热塌缩来处理光子晶体光纤端面是一种非常有效的方法,极大地拓展了光子晶体光纤的使用范围,具有很强的实用价值。
激光与物质相互作用
激光辅助三维金属微打印(特邀)
林子杰, 徐剑, 程亚
2020, 49(12): 20201079. doi: 10.3788/IRLA20201079
[摘要](66) [HTML全文] (18) [PDF 2274KB](10)
当前微纳尺度的三维金属结构,由于其独特的物化性能和空间构型优势,在科学与工程领域的应用需求日益增多。由此应运而生的各种三维金属微尺度打印技术近年来相继被开发,并引起了广泛关注。在众多技术中,基于激光的三维微打印技术有着非接触加工、制造灵活性好等优势。文中综述了当前一些代表性的激光辅助三维金属微打印技术,总结了各种三维金属微打印的基本原理、技术优势及典型应用。针对高表面光滑度、高熔点、高电导率的三维金属微打印存在的挑战,介绍了超快激光制备玻璃微通道模具法辅助实现三维金属微制造的新技术。最后就三维金属微打印的未来方向和应用前景进行了探讨。
飞秒激光诱导金刚石微纳结构及其应用(特邀)
王华丰, 孙轲, 孙盛芝, 邱建荣
2020, 49(12): 20201057. doi: 10.3788/IRLA20201057
[摘要](112) [HTML全文] (56) [PDF 1908KB](36)
多年来,硅和锗一直被认为是合适制造探测器和集成光电器件的半导体材料。然而,与金刚石基器件相比,这种四价半导体的抗辐射损伤能力较差,而且在恶劣条件或高强光辐照下,器件的稳定性较差。近年来,金刚石因其优异的光学与力学性能,在集成光子学、传感和量子光学等领域展现了巨大的应用前景。利用激光诱导金刚石微纳结构为开发金刚石上的三维光互联器件、全碳探测器、石墨电阻以及单光子源的实现提供了一种有潜力的制备方法。阐述了飞秒激光诱导金刚石色心形成、石墨化和折射率变化的物理机制,在此基础上,进一步探究了飞秒激光诱导金刚石微纳结构在单光子源、传感器和光波导等方面的应用,并对未来发展趋势进行了展望。
矢量光场激发三阶非线性光学效应的研究进展(特邀)
顾兵, 胡月球, 闻博
2020, 49(12): 20201050. doi: 10.3788/IRLA20201050
[摘要](31) [HTML全文] (19) [PDF 1923KB](9)
具有偏振结构分布的强激光与非线性光学材料相互作用导致了多种新颖的非线性光学效应,反映了材料的非线性光学特性,调制了光场的传播行为。笔者概述了矢量光场激发三阶非线性光学效应的研究进展。首先简要介绍了任意偏振光激发三阶非线性光学效应的理论,如非线性薛定谔方程、光束传播方程、各向同性和各向异性三阶非线性光学系数。也简要介绍了表征三阶非线性光学系数的 Z-扫描技术。在弱聚焦条件下,给出了诸如径向偏振光、杂化偏振光和柠檬型庞加莱光束这三种类型矢量光场的焦场表达式。其次,重点回顾了多种矢量光场激发的各向同性/各向异性三阶非线性光学效应,包括径向偏振光激发的各向异性非线性光学效应、杂化偏振光激发的各向同性和各向异性非线性光学效应、柠檬型庞加莱光束激发的各向同性/各向异性非线性光学效应。最后,简要讨论了矢量光场在非线性偏振旋转、光束整形、可控光场塌缩与成丝和光限幅方面的应用。
二维有机-无机杂化钙钛矿非线性光学研究进展(特邀)
郑昀颢, 韩笑, 徐加良
2020, 49(12): 20201063. doi: 10.3788/IRLA20201063
[摘要](111) [HTML全文] (37) [PDF 2331KB](25)
自从钙钛矿材料问世以来,有机-无机杂化钙钛矿材料在近数十年的时间得到了蓬勃发展。二维(2D)有机-无机杂化钙钛矿是由典型的无机八面体框架以及不同的有机阳离子构成,其具有本征的量子阱结构和有趣的光电特性,也因此在发光、传感器、调谐、光伏体系以及通讯设备等领域引起了人们的密切关注。低成本、可溶液法制备、以及可替换的有机阳离子等特性使二维杂化钙钛矿在光学和光子应用中具有灵活的层间距,层数和可变的晶格扭曲,从而实现可调节的框架以及在光学和光子学应用中的高调节度。尤其地,它们也表现出突出的二阶、三阶和高阶非线性光学特性,例如在激光脉冲激发下的二次谐波产生(SHG)、太赫兹 、双光子吸收(2PA)和饱和吸收(SA)和三光子吸收(3PA)等。讨论了具有不同结构特点的二维杂化钙钛矿的构建,并重点介绍了这些二维杂化钙钛矿在线性和非线性光学领域地特性和应用。最后,对二维杂化钙钛矿的研究现状进行了评估,并对其未来发展进行了展望。
连续波与脉冲激光器在三重态-三重态湮灭上转换中的应用(特邀)
曹怀满, 侯玉琦, 赵建章
2020, 49(12): 20201068. doi: 10.3788/IRLA20201068
[摘要](35) [HTML全文] (15) [PDF 1443KB](14)
三重态−三重态湮灭上转换是一种新型光子上转换技术,具有使用连续波光源激发、上转换波长灵活可调和上转换量子效率高等优点。在该上转换过程中,三重态光敏剂吸收激发光、发生系间窜越并作为三重态能量给体,通过三重态能量转移过程,敏化能量受体,处于三重态的受体分子发生三重态–三重态湮灭,产生能发生高效荧光过程的单重激发态(即上转换发光),从而将低能量的光子转换为高能量的光子,这为提高太阳能电池的光电转换效率或光催化的效率等,提供了一种新的途径。实验中需要选用合适的激光器激发上转换体系产生上转换发光,并研究其具体光物理过程。如选用连续波二极管泵浦固体激光器(DPSSL)作为光源,激发光敏剂/受体体系进行上转换实验,可方便地研究激光功率密度对上转换发光效率的影响。此外,为了研究上转换发光的动力学过程,使用光学参量振荡器(OPO)可调谐纳秒脉冲激光器激发上转换体系,可以研究光敏剂的三重态寿命、分子间能量转移以及三重态–三重态湮灭等过程的动力学特征。文中介绍了在三重态–三重态湮灭上转换实验中连续波和脉冲激光器的使用方法。
利用飞秒激光照射调控氧化石墨烯表面的浸润性能(特邀)
王飞跃, 邹婷婷, 辛巍, 杨建军
2020, 49(12): 20201064. doi: 10.3788/IRLA20201064
[摘要](37) [HTML全文] (21) [PDF 1459KB](9)
基于飞秒激光照射的改形控性技术是近些年发展起来的新兴微纳加工技术,其在快速、大面积、周期性亚波长结构的制备上展现出了独特优势。文中利用该技术在氧化石墨烯薄膜表面开展亚波长光栅结构的快速制备,并针对其中的加工机理、形貌变化及其液体浸润性进行了详细研究。通过改变飞秒激光功率和扫描速度等参数,实验获得了具有不同深宽比和表面“粗糙度”的还原氧化石墨烯样品,实现了液体接触角在15°~75°范围内可控的浸润性,并且其接触角在空气中放置20天后平均增加20°。文中的理论和实验结果为飞秒激光微纳加工和改性处理技术的发展奠定了基础,未来有望促进结构化石墨烯衍生材料在液滴收集、微流控等方面的应用。
基于单模光纤传输的单模-无心-单模光纤型表面等离子体共振传感器(特邀)
陈郁芝, 李学金
2020, 49(12): 20201055. doi: 10.3788/IRLA20201055
[摘要](24) [HTML全文] (13) [PDF 1158KB](3)
光纤表面等离子体共振(SPR)传感器结合了光纤传感器的微型化、可在线传输、易操作和SPR生物检测技术的高灵敏、高选择性、免标记等优势,是当前免疫学生物传感器的研究热点。但传统多模光纤SPR传感器的信号在远距离传输中易损耗、失真。文中提出了一种单模-无心-单模光纤型SPR传感器,能有效减小信号传输中的损耗与失真,且适合与当前的光纤网络衔接。为了消除传感器中的干扰信号,改变无心光纤的芯径,采用去除背景干扰,高斯拟合等方法,最终选取了具有芯径为61.5 μm无心光纤的此类传感器,并从中提取出了有效的SPR光谱信号。传感器的灵敏度为1153.40 nm/RIU,分辨率为1.70×10−4 RIU。此类光纤生物传感器的成功开发,为智慧医疗、远程医疗提供了一种新的思路。
Nonlinear absorption and optical limiting of platinum(Ⅱ) terpyridine complexes (Invited)
Sun Wenfang
2020, 49(12): 20201078. doi: 10.3788/IRLA20201078
[摘要](10) [HTML全文] (4) [PDF 1918KB](4)
The reported work in 2003-2019 on the reverse saturable absorption (RSA) or two-photon absorption (TPA) and/or optical limiting (OPL) of platinum(II) terpyridine complexes was summarized in this minireview. Photophysical properties, including the ground-state absorption (GSA), excited-state absorption (ESA), excited-state lifetimes, and the quantum yields of triplet excited-state formation, RSA/OPL at 532 nm for ns laser pulses, TPA characteristics in the near-IR spectral regions, and the structure-property correlations were reviewed. This paper is composed of four sections. First, the current status of OPL materials and devices, the general requirements for reverse saturable absorbers and two-photon absorbing materials, and the different types and characteristics of square-planar platinum(II) complexes were briefly introduced. Then the photophysics and RSA/OPL of six series of Pt(Ⅱ) terpyridine-analogous complexes and the structure-property correlations were discussed. Following it the TPA of five series of Pt(Ⅱ) terpyridine complexes and the impacts of structural variations on the TPA cross sections (σ2) were reviewed. Finally, brief conclusions were drawn based on the reported studies. A general trend discovered was that the charge transfer absorption band(s) and the ESA can be readily tuned by substituents on the acetylide or the terpyridine ligand. Introducing electron-donating substituent to the acetylide or terpyridine ligand or improving the coplanarity between the aromatic substituent and the terpyridine ligand red-shifted the ground-state charge-transfer absorption band(s) at the price of decreasing/quenching the triplet ESA, which consequently reduced the RSA/OPL at 532 nm. Extending the π-conjugation of the terpyridine ligand dramatically improved the σ2 values of the Pt(Ⅱ) terpyridine complexes. Incorporation of electron-withdrawing π-conjugated aromatic substituent restrained the GSA to < 500 nm while keeping a long-lived triplet excited state with broadband ESA in the visible spectral regions and moderately strong TPA in the NIR regions. This approach could provide a solution for developing broadband OPL materials.
非均匀关联光束在湍流中的单模光纤耦合效率(特邀)
蔺淑琴, 张继前, 朱新蕾, 王飞, 蔡阳健, 余佳益
2020, 49(12): 20201049. doi: 10.3788/IRLA20201049
[摘要](49) [HTML全文] (9) [PDF 1270KB](8)
研究了非均匀关联光束经过大气湍流后的光纤耦合效率。研究结果表明,大气湍流中非均匀关联光束的光纤耦合效率优于传统高斯谢尔模光束;且调控光束相干长度可以提高光纤耦合效率;针对不同传输距离的情况,可以通过调控光束相干长度实现耦合效率的最优化。同时,文中还讨论了光源参数:束腰和波长;耦合透镜参数:接收孔径和焦距;湍流强度对光纤耦合效率的影响。该研究成果证明光场相干结构调控技术在提升光纤耦合效率中的应用,在自由空间激光通信研究领域存在重要价值。
基于双重共振响应的太赫兹柔性可拉伸超表面(特邀)
王晶, 田浩
2020, 49(12): 20201059. doi: 10.3788/IRLA20201059
[摘要](36) [HTML全文] (14) [PDF 1268KB](5)
可拉伸器件中太赫兹波特性的主动控制对于涉及大机械变形或拉伸的先进太赫兹应用至关重要。将金属超表面与弹性薄膜聚二甲基硅氧烷相结合,设计并研制了基于不同微观机理的双带太赫兹波段主动控制器件。利用金属与弹性薄膜在拉伸作用下的形变失配,通过周期敏感的十字结构超表面实现了双带调制效果。在36%的拉伸下,利用偶极子模式和晶格模式分别在1.26 THz和2.41 THz处实现了调制深度为90%和78%的双频带调制。通过晶格模式进行的调制工作频率具有较大的动态范围,可以从2.41 THz调谐到1.85 THz。由于电偶极子谐振模式和周期性晶格谐振模式的机制彼此独立,因此可以独立地设计两个谐振频率,从而在几何上调节双带调制器的频率间隔。提出的可拉伸超表面制备简单,具有强度调制深度大,频率调谐范围广的优点,既能用于太赫兹波的主动控制,也能用于被动式的位移传感。
氯代铟卟啉末端功能化的PMMA活性自由基聚合材料制备及光学非线性研究(特邀)
徐超越, 马鹏飞, 刘大军
2020, 49(12): 20200398. doi: 10.3788/IRLA20200398
[摘要](31) [HTML全文] (8) [PDF 1621KB](9)
合成了5,10,15-三苯基-20-(4-羟基苯基)氯代卟啉铟,采用2-氯丙酰氯对其封端作为引发剂,以甲基丙烯酸甲酯为单体,CuCl/PMDETA为催化体系,通过原子转移自由基聚合得到了不对称卟啉铟末端功能化的线形聚甲基丙烯酸甲酯。通过UV-vis、FT-IR和1H-NMR进行结构表征。利用凝胶渗透色谱对聚合物的分子量及分子量分布指数进行测定,测试结果表明,聚合物的分散度范围为1.11~1.21,分子量分布较窄,聚合反应具有良好的可控性。采用倍频锁模Nd:YAG皮秒脉冲激光系统,在输出激光波长532 nm,脉冲宽度21 ps的条件下,利用Z-扫描对系列卟啉化合物的三阶非线性光学性质进行了测试分析,通过对实验数据的模拟和计算表明,聚合度为16,分子量为2414的聚合物三阶非线性极化率值最大,为1.144×10−12 esu。