2016十大「新型激光器」盤點

OFweek激光網訊：激光是20世紀以來的「四大發明」之一，被稱為「最快的刀」、「最準的尺」、「最亮的光」。在激光面世的短短几十年中，經過科學界和其他業界的共同探索，激光技術取得了許多重要的進展，在科研，生物醫藥，加工製造等多方面的應用展示出了其巨大的潛力，然而，激光技術的未來仍然有很多未解之「迷」，這樣吸引著人們不停的探索。下面，OFweek激光網就來盤點2016年十大「新型激光器」，共同感受激光領域探索和發現的魅力。

1、首個基於紙基陶瓷的可控隨機激光器

慕尼黑工業大學（TUM）Cordt Zollfrank教授領導的團隊與羅馬大學的物理學家一起合作，在施特勞賓科學中心基於纖維素紙製造了第一個可控的隨機激光器。基於此，該團隊展示了自然產生的結構是如何可以適用於技術應用的。

最新一期的《先進光學材料》出版物中介紹了一項由施特勞賓科學中心和羅馬大學的聯合團隊完成的基礎研究，據科學家Daniel Van Opdenbosch博士介紹，他們成功地將一種生物結構用作了技術性隨機激光器的模板。

該團隊使用傳統的實驗室濾紙作為一個結構模板，因為其具有長纖維和穩定的結構。

有兩個組件是激光器必不可少的：首先，需要有進行光放大的增益介質。其次，需要有一個將光保持在介質中的結構。經典的激光器使用鏡子來引導光並使光在一個單一的方向上以一種定向和均勻的方式傳播。這也均勻地發生在一個隨機激光器的顯微結構里，但是是在不同的方向上。雖然隨機激光器的發展仍處於起步階段，但在未來，它可能會帶來更低成本的生產。這是因為隨機激光器具有一些優點，例如它們具有方向獨立性並具有多種顏色，這裡只列出了幾個好處。

2、世界上首個「水波」激光器

技術研究人員首次證明，激光的發射可以通過光和水的波的相互作用產生。這種「水波激光」將來有一天或可以被用在與光、聲和水波相結合的微小的感測器上，或作為用於研究細胞生物學和測試新藥物治療效果的微流「晶元實驗室」設備的一部分。

現在，水波激光器為研究人員研究光和流體相互作用情況提供了一個「操場」，而這一場地規模大小要小於人類頭髮的寬度，關於這項研究的研究論文，研究人員已經發表在《自然光子》雜誌上。

這項研究是由以色列技術學院的學生Shmuel Kaminski，Leopoldo Martin，和Shai Maayani在機械工程學院光學中心的負責人Tal Carmon教授的指導下共同研究進行。

3、硅與光學活性的物質結合的微型激光器

硅材料與發光半導體材料的結合有望幫助開發新的微米量級的激光器，這一研究由A＊STAR Data Storage 研究所的Doris Keh－Ting Ng以及其同事共同合作研究。

硅材料徹底改變了電氣設備的製造形式，電子工程師想進一步擴大這些集成電路的功能，使它們能夠創建、處理和檢測光。這些光電器件可以加快數字信息的處理速度，並可實現微米尺度的激光器，例如可用在條形碼掃描儀上。然而，問題是，硅材料並不是一個有效的光發生器。

Ng的團隊設計並製作了一種結合硅和可以發光的半導體材料的激光器，這種半導體材料是銦鎵砷化物（InGaAsP）。團隊使用了一個圓柱形的幾何設備。這會把產生的一些光捕獲在設備的壁上，並迫使它在氣缸內傳播。這被稱為迴音廊模式，因為同樣的效果會發生在一個圓形的房間里，如圓頂大教堂中的聲波。

該團隊一開始使用一個硅襯底，他們沉積了一層薄薄的氧化硅。具有光學活性的InGaAsP的薄膜，只有210納米厚，是單獨製造的，然後粘上氧化硅。然後，該團隊通過一些材料蝕刻，以創建氣缸，具有兩個或三微米的直徑。三微米器件發射的激光光的波長為1519納米，這非常接近商業光通信系統中使用的波長。

這個裝置具有一個獨特的功能，迴音壁模式延伸到了硅和InGaAsP區域。InGaAsP可提供光放大，而硅可被動引導光。

4、用印表機造出低成本有機激光器

來自法國和匈牙利的研究人員發明了一種列印激光器的方法。它是如此的便宜、簡單和高效，以至於研究人員認為，激光器的核心部件在每次使用後都可以被處理掉。該團隊在美國物理聯合會出版公司下屬《應用物理學雜誌》上報告了這一發現。

sanaur團隊利用噴墨式印表機，然後選定一種名為emd6415的商用噴墨，並將其同染料混合。這種噴墨以小正方形的形式被列印在石英載片上。染色後的噴墨充當了激光器的核心，被稱為增益介質。其將光放大，併產生典型的狹窄、單色激光束。

通過增益介質和被稱為激光泵的能量源實現了將光來回反射，以保持光放大效應的持續進行。這種新型激光器可被處理掉的部分是被研究人員稱為「激光產生膠囊」的增益介質。

有機激光器能提供高效光子轉換，具有製造簡單、低成本、波長範圍廣等很多優勢，據估測，僅用幾美分便可將其生產出來。和剃鬚刀中可被替換的刀片一樣，「激光產生膠囊」在磨損後可被輕易換掉。

該研究團隊利用兩種不同染料，產生了從黃色到深紅色的激光輻射。他們預測，其他染料能覆蓋光譜的藍色和綠色部分。

5、納米線材和色彩可調諧納米激光器

美國勞倫斯伯克利國家實驗室研究員兼加利福尼亞大學伯克利分校化學教授楊培東主持的團隊種新的方法，可用於製作納米尺度的線材以及色彩可調諧的納米級激光發生器。

他們藉助一種簡單的化學浸漬溶劑工藝，研究人員讓材料「自我組合」成納米晶體、板材和線材。這些線材最小直徑200納米，融入多種其他材料，能夠發出明亮和穩定的激光，有望應用於光電子領域，實現數據傳輸等應用。

在激光實驗中，納米線材作為激光發生器被置於一塊石英基底上，在另外一個激光發生器激發下發出光線。研究人員確認，接受單個脈衝持續時間極短（僅為1秒鐘的10萬萬億分之一）的可見紫色激光脈衝激發後，納米級激光發生器發出的光線超過10億個周期，顯示出極為穩定的性能。

據楊培東介紹，這是據他所知迄今為止第一個完全以無機材料、即不含碳材料製作的納米級激光發生器。而且實驗表明，這種激光器發出的光線在一定範圍內可調諧，包括可見綠光和藍光等波段。

6、阿卜杜拉國王科技大學發現白光激光器

可見光通信（VLC）使用未經調製的電磁頻譜，且潛在更加節能的特點。VCL也提供了一種結合信息傳輸與照明和顯示技術為一體的技術形式，就比如採用吊頂燈為筆記本電腦提供網路連接，許多這樣的VLC應用需要的發光二極體（LED）產生白光。

阿卜杜拉國王科技大學的研究人員開發出了一種能夠迅速由藍色生成白光的納米晶體材料。當用一個藍色激光照射時，納米晶體發射綠光，而氮化物發射的紅光。把這種結果結合在一起，就創造一個溫暖的白光。

研究人員使用一種被稱為飛秒瞬態光譜的技術，對材料的光學性質進行了表徵。他們能夠表明，發生在銫溴化鉛納米晶體的光學過程大約為七納秒的時間尺度上。這意味著他們可以調節發射頻率為491兆赫，可能實現比使用磷要高40倍的速度，即達到二十億比特每秒的速度傳輸數據。這種使用這種鈣鈦礦結構產生的白光激光，其質量與目前的LED技術不相上下。

7、科學家開發了世界首個迷宮圖樣磁光調Q激光器

愛荷華州立大學，豐橋技術科學大學，以及分子科學研究所的研究人員們使用了190微米厚的具有迷宮磁場範圍的磁性石榴石薄膜，首次開發了一種磁光（MO）調Q激光器，並成功生成了幾十納秒的脈衝寬度的光輸出。

這是一個調Q激光器的磁疇運動驅動的第一次演示，也是一個綜合的調Q激光器的可能性的第一個證據。該激光裝置相比其他報道的可控開關要小兩個數量級。

通過磁性材料的製備，一個高速磁場開關的製造，和一個激光諧振腔的結構，研究者們實現了以前從未有的使用薄石榴石進行的MO 調Q開關。此外，研究人員還發現，該開關不需要大功率電源的操作，如此這種激光器的體積就按預期就可以減小很多。

8、極窄波束等離子體激光器問世

目前，激光器小型化的熱點已經轉向了納米激光器，而等離子激光器又是納米激光器中體積最小的。但是，如何光子從極小的腔體中發射出來。如何使發射光免於發散，這些難點都阻礙了等離子激光的實際應用。

此前，庫馬爾團隊的等離子激光器能發射目前最強的太赫茲激光，它可以被用於生物醫藥、分子譜分析、安檢以及天文和大氣科學領域。

然而，太赫茲量子級聯激光器同樣飽受光束散焦的困擾。庫馬爾團隊發明了一種稱為分布式反饋的方法來聚焦波束，藉此獲得波長為100微米的長波激光。儲存激光能量的諧振腔由間距10微米的兩塊金屬板組成，長、寬、高分別為10微米、100微米和1400微米。該系統的太赫茲激光波束寬度只有4度乘4度，是目前波束最窄的太赫茲激光。

庫馬爾在該項目上花費了4年的時間，最近他和他的團隊成員――電子工程系博士生吳重兆（Chongzhao Wu，音譯）、蘇迪普?卡納爾（Sudeep Khanal）和新墨西哥桑迪亞國家實驗室納米集成技術中心的約翰?L?雷諾（John L． Reno）在美國光學協會的《光學》（Optica）期刊發表了文章《極窄波束太赫茲等離子激光器》。

庫馬爾團隊的分布式反饋技術具有2個特點。首先，將相控陣技術引入激光器是一項顯著的技術突破，因為其不同於固體激光器通常使用的反饋控制技術。該技術有助於幫助等離子體激光器，特別是太赫茲量子級聯激光器獲得窄波束，進而掃清商業化的障礙。

9、堪薩斯州立大學研發新型激光器

由包括堪薩斯州立大學的物理研究人員，藝術與科學學院的物理學副教授Brian Washburn和Kristan Corwin在內的一個團隊開發了一類新的激光器，這些節能的激光器具有便攜性，可以產生那些難以達到的波長的光，並且具有擴展到高功率的潛力。

該激光器可以幫助科學家測量與遙遠的目標之間的距離，確定在大氣中存在的某些氣體和從太空中發送回來地球的圖像。

新的激光器是基於光纖的，並利用各種分子氣體來產生激光。它們不同於傳統的大而笨重並有鏡子來反射光的玻璃管激光器。這個新型激光器是用一種具有蜂窩結構的空芯光纖來儲存氣體和傳導光線。這種光纖充滿了分子氣體，如氰化氫或乙炔。另一個激光器用來激發這些氣體，使被激發的氣體中的一個分子自發發光。然後該氣體中的其它分子很快就跟在後面一起發光，從而產生激光。

10、科學家在矽片上直接製備砷化鎵激光器

通過在硅基片上設計和構造納米級模式可以限制晶格失配瑕疵，從而使得硅基片砷化鎵模式接近零瑕疵，量子點的電子量子限域效應增長使得產生激光成為可能，這是香港科技大學Kei May Lau教授在《應用物理學報》上刊登的一篇報道中指出的。

這個激光器具有很低閾值，體積足以集成在微處理器中。這類激光器可以在矽片上生長。工作在「迴音壁模式」的激光器直徑為1μm，被集成在數字晶元上用於通訊。目前，該激光器還需要外部光源的光學泵浦，而電泵浦將成為下一個研究方向。

在上圖中，綠色部分表示模擬的迴音壁模式電場分布情況。橙色部分表示激光介質（量子點）的量子顯微結構圖像。藍色部分描述的是納米結構硅襯底上的碟片激光器。