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Laser Focus World评选2014年最有趣20项光电子技术

Laser Focus World资深编辑John Wallace确定他首选的20项最有趣的光电子技术发展覆盖了2014年《Laser Focus World》。

1. 增强现实显示器

大千世界,光电子装置发展的最突出形式之一是头戴眼镜式显示器。然而,谷歌眼镜自面市以来一直都没有很成功的发展,为什么呢?嗯,是因为奇怪的外观;它只有一个单一的、侧边小屏幕;而用户使用时常常会发生斗眼。北卡罗来纳大学教堂山分校(UNC)和Nvidia研究中心的研究人员现在有一个眼镜显示器的设计,可以解决上述所有问题:增强现实眼镜是透明的,可以是3D立体的,至少看起来像一副眼镜。

2. "非常糟糕"光表面

对于性能更高的光学系统,如望远镜或高能激光器元件,当精确设计和制造光学系统装配以后仍然具有不必要的波前误差,还可以做些什么?或者,反过来说,一个光学系统设计师如何在不损耗较低波前误差的前提下减少系统的成本、复杂性、校准灵敏度。

QED光学公司的工程师们给出了一个解决方案:装备一台磁流变抛光(MRF)机器,他们制造了一个光学平板,具有精确的反向波前误差,因而当放置在光学系统适当的位置的时候就抵消了波前问题。

3. 显微镜超级透镜

正如增强现实眼镜对于高科技消费者来说是一个革命性概念一样,还没有超越阻止其广泛使用的大障碍,超材料超级透镜似乎是一个光电专家。那么,这些障碍依然存在,但是适用于亚波长显微镜的超级透镜取得了进步(一个"超透镜"不仅捕获和重新调整远场光,还有渐逝波,因此打破了传统衍射极限)。例如,加利福尼亚大学圣地亚哥分校开发了一维多层超材料透镜对近场物体实现远场成像,将渐逝波改变成自由空间传播波。美国普渡大学创造了另外一个超级镜可以加工光纤末端。英国南安普敦大学发明了第三种制造、自组装的方法。

4. 薄膜涂层负折射率层

在多层光学薄膜涂层设计领域,法国菲涅耳研究所的Michel Lequime及其合作者可以看看做什么,当薄膜设计中的某些层被制成具有负屈光指数时(这种材料的样品正在以超材料的形式研发)。研究小组通过数值计算判定负指数层可以帮助剪裁四分之一波长布拉格反射镜的光谱色散,更有趣的是,实现了多层法布里-珀罗腔的宽带共振行为。这种由两个多层反射膜中间夹芯一层薄膜的腔,是设计多层光学滤光器的标准方法。

5. 千兆兆瓦级激光玻璃

千兆兆瓦级激光器用激光玻璃材料的研究还在进行中。因为千兆兆瓦功率级别的激光器输出有可能通过缩短激光输出脉冲持续时间的同时保持激光孔径大到防止高激光通量的损伤,掺钛蓝宝石晶体因不能制作成米级孔径尺寸而被排除在外。北美肖特公司的科学家们开发了一种掺杂钕(Nd)的磷酸盐和其他类型掺杂玻璃,可以解决千兆兆瓦激光器的强脉冲光问题。这种激光器使用一种玻璃用于前端光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)和其他类型玻璃(掺钕硅酸盐和掺钕磷酸盐)用于终端放大。

6. 可视可调谐光纤激光器

光纤激光器克服了传统激光器的许多限制:他们通常更小,更简单,转换效率更高。但是,适用于光纤激光器的增益材料只在几个有限的波长范围发射,主要是近红外波段。然而,他们可以用于泵浦在可见光谱内跨区域调谐的其他激光器或光参量振荡器(OPOs)。虽然减轻了一些光纤激光器的先天性简易,合成的设备仍然是紧凑高效的。洛克希德马丁公司的激光传感系统制造的版本包括倍频铒镱光纤激光器生成可调谐红色、双倍拉曼光纤激光器在红色和绿色之间可调谐。

7. 蓝发射VCSELs

垂直腔表面发射激光器(VCSELs)有多种用途,从数据通信到夜市照明,但是迄今为止VCSELs产生的发射波长仍然停留在红色光谱区或者是IR区。然而,人们继续努力开发发射蓝光的基于氮化物的VCSELs。如果尚未得到任何商业上的成功,或事实上仍然存在许多障碍,为什么这里重点强调这种研究?很简单因为蓝色发光VCSELs是那些可以改变游戏规则的光电子设备之一,目前已经在实验室里面制造出来,在日亚、松下的项目和其他地方有足够的资金继续研究。"这将需要一些资金和革命性思想"使高性能氮化物VCSELs成为现实,新墨西哥大学的Daniel Feezell说,"最终,我们会实现氮化物VCSELs,只是需要更多时间"。

8. 同轴光栅太赫兹QCLs

南洋理工大学(NTU)、新加坡制造技术研究所、英国利兹大学、香港理工大学以及上海交通大学组成的国际研究小组的研究人员指出,对于太赫兹发射量子级联激光器,不同几何结构会有很大差异。除了制造标准脊波导QCL,他们还设计制造了一个圆形有源区和同心圆光栅耦合输出垂直进入自由空间。优势:低发散十几毫瓦输出,比脊波导太赫兹QCLs五倍强大。

9. 钙钛矿结构VCSELs

然后还有钙钛矿,多功能光子材料(实际上属于同类)用于制造光发射器以及高效薄膜光伏太阳能电池。剑桥大学卡文迪什实验室的研究人员创造了光泵浦钙钛矿结构VCSELs将绿色泵浦光转换到近红外(760nm)激光,转换效率达70%。这一论证的成果之一是光吸收,钙钛矿结构中迅速生成电子空穴对(1ps内),但随后几微秒内在任何地方重组。这些特性实际上预示着钙钛矿结构的广泛研究发展,尤其是低成本、高效太阳能电池。

10. 钙钛矿结构高亮度LEDs

在另一实例中,混合钙钛矿可形成发绿光、红光或近红外光的高亮度LED。制作极其简单可以通过旋涂钙钛矿溶液在基底上。"对于半导体产业界的最大惊喜是发现这种简单的工艺方法仍然会保留非常干净的半导体特性,无需传统半导体所必需的复杂纯化工艺,"卡文迪什实验室Sir Richard Friend教授说。

11. 轨道角动量多路复用

通常,光纤数据传输速率是通过组合分离发射器输出光的方式提高的,如波分复用方式(WDM;组合不同波长)或偏振分复用(PDM;组合不同偏振)。如今,又增加了一种组合方式:轨道角动量(OAM)复用。在OAM中,不同螺旋阶段的激光束在光纤传输中组合,然后在接收端解复用。这项研究由南加州大学(USC)、喷气推进实验室(JPL)、格拉斯哥大学(苏格兰)、特拉维夫大学(以色列)完成,传输速率达到100Tbit/s。

12. 金刚石多波长光源

不久将来钻石将成为通信工程师最好的朋友:哈佛大学麻省理工学院和斯伦贝谢道尔研究中心的研究团队一直在研究环形谐振腔构造中金刚石的非线性光学性能。该研究团队还验证了样品单晶金刚石多波长环形谐振腔电信光源,通过四波混频光参量振荡器(OPO)。当使用连续波激光泵浦时产生一个频率梳。研究人员还假设为精密天文学在可见光谱生产频率梳。

13. 光纤爆炸传感器

爆炸物灵敏检测变得越来越重要;气体或液体光纤传感在长期光/化学相互作用区域有潜力是一种合理的方法。澳大利亚阿德莱德大学、澳大利亚国防科学技术组织以及上海电力大学的科学家们创造了一种悬浮芯微结构光纤,在内表面沉积共轭聚合物涂层,利用简单的毛细管现象填充丙酮沾染少量爆炸性1,4-二硝基苯(DNB)。当运载488nm波长光时,当存在爆炸物时,即使浓度下降到6.3ppm,光纤呈现出表面附着聚合物荧光淬灭现象。可以进一步发展该技术用于检测自制简易炸弹装置。

14. 光纤传感用机械式F-P

哈尔滨工业大学的Liu Yi和Qu Shiliang发明了一种技术,利用飞秒激光诱导水击穿加工将高品质法布里-珀罗干涉仪(FPI)腔传感器刻入单模石英光纤。得到的FPI空腔只有40微米长且具有平轴表面,适用于测量流体折射率。钛蓝宝石激光器输出脉冲聚焦在光纤上,将其浸泡在水中,经沸腾、冲击波、高速喷射创作来加工二氧化硅。该传感器具有对温度的低灵敏度,可以测量折射率准确度达1.29×10-4

15. 利用纳米点同向轴光谱探测

法国分辨率光谱系统公司开发了一种新型光谱仪,固定波集成傅里叶变换光谱仪(SWIFTS),没有面临传统光栅和傅里叶变换光谱仪的问题,即分辨率、测量波长范围、速度、尺寸和长期校准稳定性之间的折中问题。SWIFTS的检测部分包括纳米点在波导的周期性定位;每个纳米点的散射光被线性阵列检测器的不同像素收录。结果,由于波导中产生了不同的驻波,每个纳米点的频谱不同,一种称为里普曼函数的数学变换应用于数据产生整个光谱。以波导为主,光谱仪小巧而坚固。它适用于激光源表征光谱,如VCSELs,OPOs,外腔激光二极管以及远程光纤传感器电缆的多种光纤布拉格光栅传感器。

16. 单光子雷达

西格玛空间公司的工程师开发了对单个光子敏感的激光雷达系统,可以从空对地2.3km高度绘制低反射树冠以及高反射冰雪表面地图,该系统对于低速采样的老系统是一种进步。在西格玛公司的最新商业介绍中,自筹资金、适度海拔高清晰量子雷达系统被称为HRQLS,绿色激光束在空间上被分成一个5×5阵列,在2.3km高度产生地面50cm像素。对于标称的2.3km飞行高度,最大半圆锥角20°,最大空速450km/h,最大覆盖面积为616km2/h,几乎是早期系统的8倍。西格玛制造的产品还包括一款定制100光束单光子激光雷达可以在8.5km空对地高度、条带宽度2.4km运行。

17. 高填充因子硅光电倍增管

硅光电倍增器(SiPMs)已被开发为能够替代传统的光电倍增管(PMT),但设备的多晶硅(poly-Si)电阻必须安置在检测器的表面上,阻塞了部分入射光。为了改善SiPMs设备的光子探测效率,新加坡A*STAR微电子研究所的研究人员开发了一种新技术,将垂直大块硅淬火电阻嵌入SiPM电池替代传统的多晶硅电阻器。模拟和实验的结果证实新型SiPM电池结构的性能;制造的SiPM电池填充因子达到81%。

18. 量子点液晶显示器

对于一般人的生活液晶显示器(LCD)是必不可少的,没有液晶显示器,许多工程师、会计师、百科知识以及手机强迫症就要面临精神瘫痪了。所以标准LCD取得的任何进展都更受欢迎,3M公司的工程师遵循这一规律开发并向市场引进了第一个包含量子点(QDs)的液晶显示器。这些显示器覆盖的色域比传统LED光液晶显示器宽50%,甚至可以超过商业有机LED显示器。量子点分散在聚合物基质隔水薄膜的夹层,形成一个只有55微米厚的薄片。当前一代QDs的寿命是30000小时,下一代预计至少有70000小时寿命。

19. 白光衍射断层技术

伊利诺伊大学开发的一种新型断层技术,创作了细胞的3D图像效果图并利用传统显微镜和白色光源观察了内部结构。该技术有望获得无需使用化学物质、紫外线照射或机械力等缺点的3D图像,产生的图像捕获了正常情况下细胞的行为,而不是化学(染料或造影剂)胁迫条件下的行为。白光衍射断层摄影(WDT)设备安装在传统相位差显微镜上不修改显微镜本身。通过细胞深度显微镜移动焦点捕获各种聚焦平面的图像。然后编写软件将图像与3D效果图连贯起来。因为细胞在任何方面都没有损坏,很容易拍到细胞视频。

20. Starbug运动控制

澳洲天文台的科学家们,正在开发下一代地面望远镜,需要将数百个光纤光器件放置在望远镜焦点处(每根光纤搜集来自不同星星的光),面临如何定位这些光纤的问题以便在焦点附近移动这些大型玻璃表面。除了发明一种巨大的、不可制造的机械mess以外,科学家们还发明了Starbugs,小的、压电驱动圆柱形机器人,真空操作,每个自行调节速度2mm/s。

原文:Technology Review: Top 20 technologies for 2014 cover the range from basic R&D to new apps,www.laserfocusworld.com

( 摘自《光电信息简报》308期,2015-1-12)