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国内外激光技术最新进展盘点:新型半导体及纳米激光器

2015-04-01 10:55
来源: 激光网

  新型纳米激光器为下一代光计算设备奠定基础、锗锡半导体激光器可在有史以来最低温下工作、欧洲打造世界最强激光器、新型电泵浦半导体激光器提高图像质量...在过去的一个月里,激光技术持续突破,接下来简单盘点最新进展情况:

  1、首个可直接兼容硅芯片的锗锡半导体激光器

  来自尤里希旗下“皮特格林贝格研究所”(PGI-9)和“保罗谢勒研究所”(Paul Scherrer Institute)的科学家们已经用锗和锡制成了实验用的附件,并且在硅晶片上进行了测试。

  保罗谢勒研究所在测定之后发现,锗锡化合物可以同时产生和放大激光信号,而且锡元素对这种新设备的光学性能显得非常重要。

  PGI-9博士生Stephen Wirths补充道:“高含锡量决定了它的光学性能,这是我们首次在晶格中掺入了超过10%的锡而没有损失其光学品质”。

  目前电子系统中所使用的半导体激光器,主要由元素周期表中的第三族或第五族元素所组成,比如砷化镓。

  也正因为如此,由这些材料制成的激光器无法与其它硅基半导体装置直接兼容(不仅困难,而且费力)。此外,由于其连接材料拥有不同的系数,装置的使用寿命也会有所降低。

  PGI-9博士Dan Buca表示:“这款激光装置可以在有史以来的最低温下工作(零下183摄氏度/零下297.4华氏度)”。相信这款测试系统在优化之后,还会带来更加优异的性能表现。

  此外,同步电路的时钟信号可使用高达30%的能量,这样可以在光传输过程中节省大量能量。

  2、美研究人员用最薄半导体造出新型纳米激光器

  美国科学家们利用迄今最纤薄(仅为三个原子厚)的半导体,制造出一种新型纳米激光器,其不仅能效更高,容易制造且可与目前的电子设备兼容。研究人员表示,这一研究成果为最终制造出用光而非电子传输信息的下一代计算设备奠定了坚实的基础。

  从医疗到金属切割再到电子产品,激光器都在其中扮演重要角色,但为了满足现代计算、通讯、成像和传感要求,科学家们一直希望能制造出体型更小且耗能更低的激光系统。华盛顿大学和斯坦福大学携手研制的这款纳米激光器,用仅仅三个原子厚的钨基半导体作为发光“增益材料”,或将满足上述要求。

  该研究主要负责人吴三丰(音译)表示:“纳米激光器中使用的钨基半导体也是最近才问世,单层钨基分子非常纤薄且能有效地发射光,科学家们已经用它制造出了晶体管、二极管、太阳能电池等,现在,开始用它制造纳米激光器。”

  尽管纳米激光器体型娇小,肉眼无法看到,但其可广泛应用于多个领域—从下一代计算设备到能监测健康状况的可植入微型芯片等。不过,以前研制出纳米激光器使用的增益材料,要么更厚,要么被嵌入捕获光的空腔结构内,这就使它们很难制造且不容易同现在的电路和计算设备完美融合。据报道,最新纳米激光器中使用的三个原子厚度的半导体能直接放在常用的光学空腔内,因此,能与组成激光器的关键元素有效地结合在一起。而且,只需27纳瓦的电力就能让其发射光,能效极高。

  该研究的联合作者、华盛顿大学电子工程和物理学助理教授阿卡·马优姆达表示,新型纳米激光器的另一个优点是很容易制造,也可与电子设备中常见的硅原件一起工作;另外,使用原子板作为增益材料不仅让其用途广泛且能更好地对其属性进行控制。最新的纳米激光技术让科学家们朝着光子计算和短距离光通讯迈出了重要一步。接下来,他们打算对激光发射的光的属性进行更深入的研究。

  研究人员希望他们能进一步制造出电驱动的纳米激光器,最终实现用光而非电子在计算机芯片和主板间传输信息。目前的信息传输过程可能导致系统过热,可能也会浪费大量能源,因此,包括脸谱、惠普和因特尔等拥有大量数据中心的巨头都对能效更高的解决方案感兴趣。使用光子而非电子来传输信息耗能更少,且有望使下一代计算设备突破目前的带宽和能量限制。

  3、世界上最强大的激光器

  欧洲正与美国等科学家正研制的世界上最强大的激光器,有助于研究人员洞悉宇宙是如何形成的。它叫做“高重频先进千兆兆瓦激光系统(HAPLS)”,将在欧洲捷克共和国部署安装,它能够在30飞秒(飞秒为10的负15次方秒)内产生30焦耳的能量,产生的功率峰值超过1拍瓦(10的15次方瓦),目前HAPLS激光系统的第一个关键部件“二级管泵固体激光器”由美国能源部劳伦斯·利弗莫尔实验室(LLNL)负责设计、建造,已经完成组装并被部署安装至捷克共和国的欧洲极端光基础设施(ELI)中,标志着这个巨大项目的第一阶段施工告一段落。

  HAPLS能够在百万亿分之一秒内释放超强激光束,释放出的光比地球上所有发电站发出的光还要强大10万倍。因类似科幻电影《星球大战》中黑武士达斯·维达(DarthVader)的激光焊接基地而被昵称为“死星激光器”。“二级管泵固体激光器”功率放大器将使用掺钕玻璃放大器板(这与美国国家点火装置相同),在10赫兹重频的情况下产生3.2兆瓦的镭射功率,其作用是为第二个组成系统即“啁啾脉冲放大器短脉冲激光器”提供能量。在“二级管泵固体激光器”的输出端,利用频率转换器使频率加倍,从红外转变成绿光频率,以匹配短脉冲激光器的吸收谱带要求。

  HAPLS的短脉冲激光系统将使用掺钛蓝宝石作为放大介质,可从“二级管泵浦固体激光器”的能量转换成脉宽为30飞秒、能量为30焦耳、峰值功率超过1拍瓦的激光脉冲

  HAPLS将安装在位于欧洲捷克共和国的欧洲极端光基础设施(ELI)中,该设施目前仍在建设当中。HAPLS两个激光系统由美国能源部劳伦斯·利弗莫尔实验室负责设计、建造和组装。HAPLS系统计划在2016年从美国运往欧洲,并将在2017年进行首次试验。

  HAPLS能够产生超短、高能激光脉冲,这种脉冲可以作为二次源产生电磁辐射(如高亮度X射线)或加速带点粒子(电子、质子或离子)。这种激光技术在物理、医学、生物学和材料科学领域都有应用。

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