我们都知道可控热核聚变以其稳定性、清洁性、安全性和资源的丰富性，被广泛认为是人类的终极能源解决方案。既然提到了激光聚变大家可能印象最深的就是美国国家点火装置NIF在2022年底成功实现了点火，这也引发了全球对聚变能源的极大兴趣。尽管NIF取得了最高靶增益约2.4的成就，但由于激光能量、腔体设计以及早期激光技术的限制，它还未能实现聚变能源所需的30至100的高靶增益，且每天的实验次数也仅限于3至4次。 为了克服这些限制，中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所与北京应用物理与计算数学研究所的科研团队合作，提出了一种新一代高增益聚变装置的概念设计。这款10MJ激光装置旨在实现30至100的靶增益。如上文中描述的它具备高效、节能、紧凑和成本效益高的特点，能够每30分钟进行一次实验，并且能够根据实验需求，在同一次实验中提供二倍频、三倍频、四倍频等多种激光频率的混合打靶能力，以适应不同的激光聚变方法。其设计成本与美国的NIF相当，可以说这个概念为聚变能源的路线选择和可行性研究提供了新的工具。 在10MJ激光装置的概念设计中，采用了以下创新技术： 多前端及超弹簧光技术，以降低激光与等离子体之间的不稳定性。 近场空间分离放大预脉冲和主脉冲，以提升能量转换效率。 使用具有低发射截面、长荧光寿命和高储能密度的激光材料，实现高激光能量通量的放大。 环形截面水冷氙灯和荧光转换隔膜材料的应用，提高泵浦光到激光能量的转换效率和打靶频率。 基于角度敏感薄膜的近场多程劈板放大器，简化系统结构，提高能量抽取效率。 结合近场三程放大的双程放大构型，显著减少放大器占用空间，实现装置的紧凑化。 基于角谱敏感非线性晶体的空间滤波技术，进一步压缩滤波器空间，提高装置紧凑性。 非共线频率变换的波束合成系统，提高在较小F数和相同光学元件负载下的输出激光能量。 现代化的测控技术，提高测量和控制的精确度。 以靶室为中心的半地下整体布局，节省空间、降低成本并提高环境友好性；同时采用六孔球腔球对称辐射驱动源路线下的理想激光排布方案，获取所需的球对称辐射源，满足多种激光聚变方式的需求。 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所的隋展研究员提出了上述的先进激光技术。与此同时，北京应用物理与计算数学研究所的蓝可研究员则专注于确保这些技术能够满足物理需求。两位研究员携手撰写了这篇关于10MJ激光装置概念设计的论文。 这篇论文的发表，不仅展示了中国在激光聚变技术领域的创新和突破，也体现了科研团队在实现高效、低成本聚变能源研究方面的努力和成果。通过这些新技术的应用，10MJ激光装置有望在聚变能源研究中发挥重要作用，为未来的能源发展提供新的可能性。 查看详细>>

中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子测量与传感研究中取得重要进展。该团队李传锋、许金时、刘曌地等人首次提出并实验实现了量子夏克–哈特曼（Shack–Hartmann）波前传感器。通过重构双光子横向空间波函数，观测了位置纠缠光子对在自由空间传播时振幅关联和相位关联的动力学演化。该成果7月16日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。 光场相位分布的测量是一个关键问题，特别是在自适应光学中，可用来校正像差的影响。研究团队在经典波前传感方面做了一系列的工作，包括研究了基于光子玻姆轨迹实验装置的弱测量波前传感，实现了更高的空间分辨率，以及提出并数值模拟了基于弱测量波前传感的纠缠光子波前重构等。 经典光学中，夏克–哈特曼波前传感是一种广泛使用的相位测量方法，它使用微透镜阵列，将光场在局部空间的传播方向转换为聚焦光斑的位移，从而测量得到光场相位梯度的分布，并重构出相位。其空间分辨率由透镜尺寸决定。研究团队受此启发，提出并实现了量子夏克–哈特曼波前传感器，观测到位置纠缠光子对空间波函数的动力学演化。双光子射入透镜阵列后，在其后焦面探测双光子的联合空间概率分布，如图1所示。通过对单个微透镜孔径内所有点的条件概率分布求和并利用梯度算法可以重构出相位，结合强度分布即可得到双光子空间波函数。研究团队测量了自发参量下转换产生的光子对在自由空间不同演化时间的空间波函数，观测到双光子在自由空间传播过程中振幅关联逐渐变弱，而相位关联逐渐变强的过程。研究组还测量了双光子在动量空间使用空间光调制器加载双曲抛物面相位后的波函数，如图2所示。该方法作为量子自适应光学这一全新领域的关键技术，在未来可应用于量子通信、天文观测和多光子相互作用的检验中。 图1.量子波前传感原理示意图（小图）和实验装置图 图2.实验结果图，展现了不同距离传播和相位调制后的波函数。各组数据第一列是双光子纵坐标取中心值时横坐标的联合波函数，第二列是中心点的条件波函数，第三列是中心右上方一点的条件波函数；第一行是理论值，第二行是实验重构结果 查看详细>>

2024年7月9日，拜登政府表示，将拨款高达16亿美元用于开发包装计算机芯片的新技术，这是美国在创造人工智能等应用所需组件方面领先于中国的主要推动力。 这笔拟议的资金是根据2022年立法通过的“芯片法案”授权的一部分，将帮助公司在封装技术领域创新，例如创建更快的数据传输方法和管理芯片产生的热量，美国商务部副部长兼国家标准与技术研究院院长Laurie Locascio表示。 她在旧金山的一次年度行业会议上宣布了这一消息，标志着公司开始申请研发项目资助的起点，预计每个项目的奖励金额高达1.5亿美元。 “我们在先进封装方面的研发工作将重点关注高需求应用，如高性能计算和低功耗电子设备，这两者都是在AI领域实现领导地位所需的，”Locascio女士说。 “芯片法案”获得两党支持，投资520亿美元以刺激国内芯片生产，其中大部分资金用于将硅晶圆转化为芯片的工厂。美国在这一领域的份额已缩减至约10%，大部分被亚洲公司夺走。特别是台湾积体电路制造公司（T.S.M.C.）运营的工厂让政策制定者感到担忧，因为中国对台湾的领土主张。 在芯片封装方面，对外国公司的依赖更为明显。这一过程将完成的芯片（如果没有与其他硬件通信的方式，将毫无用处）安装到一个称为基板的扁平组件上，基板上有电连接器。这个组合通常用塑料包裹。 封装主要在台湾、马来西亚、韩国、菲律宾、越南和中国进行。全球行业组织IPC援引国防部数据估计，美国仅占先进芯片封装的约3%。 到目前为止，大部分联邦资金都用于制造的早期阶段，在新建的美国工厂生产的芯片可能会被运往亚洲进行封装，这对减少对外国公司的依赖几乎没有帮助。 “你可以在这里制造所有你想要的硅芯片，但如果不进行下一步操作，它就没有任何作用，”专注于芯片封装的咨询公司TechSearch International总裁Jan Vardaman说。 情况因公司越来越追求更高的计算性能而变得复杂，它们将多个芯片并排或堆叠在一起进行封装。主导AI芯片销售的Nvidia最近宣布了一款名为Blackwell的产品，它包含两个大处理器芯片，周围环绕着存储芯片堆栈。 为Nvidia制造最新芯片的T.S.M.C.也使用先进技术进行封装。T.S.M.C.预计将获得联邦补助在亚利桑那州生产芯片，但尚未表示会将任何封装服务从台湾转移。 作为硅谷芯片制造商的英特尔（Intel）在封装研究方面被认为是领先者，并已投入大量资金升级新墨西哥州和亚利桑那州的工厂，以在制造服务方面与T.S.M.C.竞争。但美国公司可以利用联邦资金帮助保持技术前沿地位，Vardaman女士说。 这些新资助是一个名为国家先进封装制造计划（National Advanced Packaging Manufacturing Program）的一部分，商务部官员表示该计划将获得约30亿美元的总资金。 “今天的宣布是朝正确方向迈出的又一个重要步骤，”IPC全球政府关系副总裁Chris Mitchell说。 一些行业参与者不等待政府援助。总部位于东京的Resonac公司周一宣布，与其他九家日本和美国公司组成新联盟，专注于在加利福尼亚州联合市建造的新设施中的封装研发。 在一次采访中，商务部的Locascio女士表示，政府本周还将宣布其国家半导体技术中心的概念模型，这是一个拟议的公私合作伙伴关系，用于芯片研发，预计将包括新设施，多州官员希望吸引这些设施。 “我们每天都接到很多关于此事的电话，”Locascio女士说，补充说这一宣布应该会明确设想的设施种类和“人们可以竞争这些设施的过程”。 查看详细>>

掺镱光纤激光器具有结构紧凑、电光效率高、热管理方便等优势，广泛应用于先进制造、材料处理等领域。使用1018 nm光纤激光对掺镱光纤(Yb-doped fiber,YDF)进行级联泵浦是目前获得万瓦级高光束质量光纤激光的主要技术方案之一。利用该方案，美国IPG Photonics公司于2009年研制出10 kW单模掺镱光纤激光器。根据公开发表的文献，迄今尚还未有第二家单位实现10 kW级M2<2的高光束质量光纤激光。如何在常规双包层YDF中实现高功率、高光束质量的激光输出具有较大技术挑战，也是高功率光纤学科方向的研究热点。 近期，在国家重点研发计划项目（2022YFB3606000）支持下，国防科技大学研究团队突破高模式不稳定阈值大模场双包层YDF制备技术，综合采用后向泵浦、种子激光拉曼滤波、增益光纤弯曲直径优化、输出传能光纤长度优化等方式，有效提升了级联泵浦光纤激光器的模式不稳定效应阈值和非线性效应阈值，实现了输出功率10 kW，光束质量因子M2=1.92光纤激光输出。 级联泵浦光纤激光系统设计 激光器系统结构示意图如图1所示，1080 nm种子激光经倾斜光栅(Chirped and tilted fiber Bragg grating,CTFBG)、模式适配器(Mode field adaptor,MFA)和包层光滤除器(Cladding light Stripper,CLS 1)后进入YDF。YDF纤芯直径和数值孔径分别为30μm和0.06，内包层直径和数值孔径分别为250μm和0.46，泵浦光吸收系数约为0.4 dB/m 1018nm，YDF长度约38 m。1018 nm泵浦激光通过(6+1)×1后向泵浦信号合束器(Backward pump and signal combiner,BPSC)注入YDF。放大后的信号光经包层光滤除器(CLS 2)和端帽(Quartz block holder,QBH)输出。为实时监测激光器特性，输出激光经准直器(Collimator,CO)后由反射率大于99.99%的高反镜(Highly reflective mirror,HRM)进行分束。微弱的透射光进入光束质量仪(Laser quality monitor,LQM)，反射的高功率激光经进入功率计，散射光进入光谱仪(Optical spectrum analyzer,OSA)和光电探测器(Photodetector,PD)。 图1 10 kW级联泵浦光纤激光系统结构图 实验结果 本工作在前期研究（Optics Express 31,24423-24436(2023)）的基础上，进一步优化了光纤的盘绕方式，通过调控模间竞争实现了对高阶模功率放大的有效抑制，有效提升了模式不稳定阈值，保证了功率提升全过程中的高光束质量。此外，针对输出尾纤(图1中A至B点)中的激光功率密度极高的情况，当激光器输出尾纤为1.5 m时，输出功率为10.03 kW，光谱中仍未出现明显的拉曼特征峰，实现了受激拉曼效应的有效抑制。 图2(a)所示为10 kW级激光器的功率曲线，最大输出激光功率达到10.03 kW，激光器光光转换效率为79.6%。图2(b)所示为激光器的功率稳定性测试结果，200秒测试时间内，满功率运行的激光器功率波动为~0.7%，表明激光器具有良好的功率稳定性。图2(c)所示为不同功率下的光束质量，最高功率10.03 kW时M2=1.92。图2(d)所示的激光器时序及频谱表明系统未出现模式不稳定现象。该激光器输出功率进一步提升仅受限于可用泵浦功率。 图2光纤激光器输出特性。(a)输出功率随泵浦功率的变化；(b)输出功率10.03 kW时的功率波动测试结果；(c)不同输出功率下的光束质量；(d)最高输出功率下的时序和傅里叶变换频谱 总结与展望 该工作利用自主研发的高模式不稳定阈值大模场双包层掺镱光纤，基于级联泵浦方案，实现了单纤万瓦高光束质量光纤激光输出，验证了自研大模场双包层光纤具有支撑万瓦级高光束质量激光的产生和放大能力，可为更高功率输出的单模光纤激光器的设计和研制提供参考。研究团队下一步将聚焦光纤设计、非线性效应抑制和模式控制方法研究，通过优化光纤折射率分布、纤芯/包层尺寸、光纤弯曲直径等方式，实现输出功率和光束质量的进一步提升。 查看详细>>