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科学家发现激光光特性的改变可以只需要依赖一个晶体

  激光的应用可能受益于由美国国家标准技术协会(NIST)和中国的山东大学的科学家们的晶体研究。他们发现了一种潜在的方法,用来规避长期存在的作为激光技术中关键部分的晶体制造的困难。但他们的这个发现也让背后的科学专家们苦思冥想了一番。

  今天发表在《科学进展》杂志上的这个研究发现,相对较大的晶体用于更改激光器中几个光特性,这对于使激光器成为实用的工具是至关重要的变化,可由生长起来更容易、更便宜的更小的杆形微晶进行堆叠制作出来。

  到目前为止,团队研究出来的微晶体在某些特性方面要优于常规晶体,表明可利用他们这一研究成果,是实现快速、经济开发大的晶体长期探索告一段落的一个信号,没有这种方法制造大晶体则会极为昂贵。但微晶也挑战传统的科学理论,为什么他们表现如此特性。

  你在激光的光中看到的颜色往往是不同于它最初生成的样子。很多激光创建红外光,然后通过一个晶体传递它的能量,由此将其波长转换为可见的颜色,如绿色或蓝色。

  通常,那种晶体是由焦磷酸钾(KDP)制作,这是一种常见的材料,由于其具有的特性使得它非常宝贵:不仅焦磷酸钾晶体可以改变光的颜色,它也可以充当一个开关,改变光的偏振(其中其电场振动的方向)或防止它在激光发射之前穿过晶体。激光通过光纤线缆携带的数据取决于光的偏振,许多应用程序依赖于激光脉冲的定时。

  小型焦磷酸钾晶体的制作是很容易的,和那些使用在口袋中的激光指针和电信系统相似。但对于更高能量的应用场景,科学家几十年来一直在寻找能使大型、高质量的晶体可以生存反复的暴露于强激光脉冲中,但一直难以找到合适的解决方案。

  研究团队由焦磷酸钾晶体生长的溶液中发现了有用的结果。这些晶体采取的形式是六角形的空心管和几个微米宽的长杆结构。在相同条件下,单独的这些焦磷酸钾微晶体的能量转换效率超越甚至最好的焦磷酸钾晶体,这就导致了直接的晶体生长用于通信的可能性。

  研究小组还建议晶体棒能堆积得像木柴那样,建设一块较大的几十亿的微小的细丝。他们都堆积在一起之前他们可以涂一层薄薄的导电材料,进行导热,使他们能够处理的高强度激光光重复的脉冲,这可能扩大其应用范围,如果可以找到一种恰当的方式进行堆叠。

  神秘的是,为什么微晶的表现特性是如此。基本物理定律是无法解释的。

  常规物理模型表明,如果用于进行能量的转换,这些微晶似乎打破这条规则,像晶体,光学介质不必围绕其中心对称。

  美国国家标准和技术协会的物理学家邓璐说,"我们接触过大量的来自世界各地不同领域的专家,他们都不能解释这种现象,目前没有理论可以解释这个奇特的晶体的初始生长机理。从我们目前的理解来看,这将是结晶学到凝聚态物理学领域研究的一个挑战。"

  虽然理论正在赶实验数据,邓说他们的团队正专注于可堆叠微晶棒生长的工程挑战。

  "我们可以实现每十分钟生长超过1,000个微组织在单一的玻璃片上,所以大面积的生长不是一个问题,"他说。"我们需要弄清楚是如何进行种植出具有近乎均匀截面的大结构,因为对于最后的组装它将是重要的"。

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