近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心熊伟教授团队提出了一种新颖的分子三维组装方法。通过规划飞秒激光焦点扫描路径控制各项异性分子的定向排布，研究团队实现了液晶分子高精度和高自由度的三维定向组装。该研究不仅可用于液晶型光电功能器件的三维高精度组装制造，同时也为其他各向异性分子的三维高自由度高定向组装提供了新的思路。相关研究成果以“3D Directional Assembly of Liquid Crystal Molecules”为题发表在《Advanced Materials》上。 分子自组装是指无序的分子在分子间相互作用下形成有序结构的一种技术，被认为是最有潜力的“自下而上”纳米技术之一。该技术能够充分发挥各向异性分子基团的光、电、磁、热、机械等特性，从而满足信息、生命、电子、材料等领域的应用需求。然而，分子间的弱相互作用往往难以实现应用中所需的强各向异性，限制了高性能各项异性分子器件的发展。目前，国际上已报道的分子定向组装多为单轴有序排布，各向异性分子也仅能按照晶格或堆叠的有序排列，如何攻克高精度、可编程、高自由度的三维分子组装一直是当前的一项国际难题。 针对这一挑战，熊伟教授团队以典型的各向异性液晶分子为例，利用飞秒激光直写技术，编程规划激光焦点的扫描路径，实现了液晶分子的高自由度三维定向组装，通过控制激光扫描方向即可定制分子组装方向。这一方法无需对液晶分子进行预先取向处理，首次在三维分子组装领域将光场用于分子取向与聚合过程，实现了单步高精度高定向的分子组装，如图1所示。 通过在加工系统上搭建实时偏振观察模块并结合理论推导计算，研究团队深入探讨了飞秒激光定向组装液晶分子的物理机制。研究表明，在飞秒激光扫描成形过程中会产生显著的激光诱导剪切力效应，液晶分子沿激光扫描方向形成取向种子层。在随后的显影过程中，由于各向异性的体积收缩，聚合物主链沿激光扫描路径定向排列，从而进一步强化规范了液晶分子的定向排布，如图2所示。 该研究充分发挥了飞秒激光加工的可编程优势，通过激光扫描路径规划可实现不同偏振干涉色的微纳结构，成功制造出具有偏振选择和彩色成像功能的菲涅尔波带片阵列，如图3所示。 熊伟研究团队基于飞秒激光定向组装分子的策略，利用飞秒激光直写的高精度和真三维制造优势，成功实现了液晶分子的亚微米精度（129.6 nm）和高自由度的三维组装，同时该方法在其他有机高分子材料的各向异性组装中也展现出了巨大的潜力。 图1.液晶分子的三维定向组装示意图与实物图 图2.实时偏振观察装置与液晶分子的飞秒激光组装原理 图3.偏振干涉色与具有偏振选择和彩色成像功能的菲涅尔波带片阵列 查看详细>>

近日，来自洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员开发了一种芯片集成的掺铒波导激光器，这一新型激光器的性能接近光纤激光器的性能，结合了可调谐性和芯片级光子集成的实用性。 众所周知，光纤激光器使用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质。因此与二氧化碳等气体激光器相比具备了高光束质量、高功率、高效率、尺寸小以及光纤输出与柔性加工平台的无缝融合等优势。 而为了满足对芯片级光纤激光器的需求，研究人员转向铒作为增益介质。铒基光纤激光器满足保持高相干性和稳定性的要求而特别有前景。但长期以来，由于难以保持其特有的高性能，铒基光纤激光器小型化一直难以实现。 为此，研究人员首先基于超低损耗氮化硅光子集成电路构建了一米长的片上光腔。洛桑联邦理工学院光子学和量子测量实验室的研究员Yang Liu认为：尽管芯片尺寸紧凑，但我们能够将激光腔设计为米级长度，这要归功于这些微环谐振器的集成，这些谐振器有效地扩展了光路，而无需物理放大器件。重大突破！芯片大小的激光器或将取代光纤激光器？ 然后，该团队在电路中植入了高浓度的铒离子，以选择性地产生激光所需的有源增益介质。最后，他们将电路与III－V族半导体泵浦激光器集成在一起，以激发铒离子，使它们能够发光并产生激光束。 为了改进激光器的性能并实现精确的波长控制，研究人员设计了一种创新的腔内设计，其特点是基于微环的游标滤光片，这是一种可以选择特定频率光的滤光片，以提高激光器的性能并实现精确的波长控制。 该滤光片允许在C波段和L波段内对40 nm的激光波长进行动态调谐，这在调谐和低光谱杂散指标方面都超过了传统的光纤激光器，同时保持与当前半导体制造工艺的兼容性。该设计支持稳定的单模激光，固有线宽为50Hz。 芯片级铒基光纤激光器的输出功率超过10 mW，侧模抑制比大于70 dB，性能优于许多传统激光器。其窄线宽使其能够发出纯净而稳定的光，非常适合传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用。 将铒光纤激光器缩小并整合到芯片级设备中可以使其变得更加经济实惠，为消费电子、医疗诊断和电信领域高度集成的移动系统开辟新的应用。它还可以缩小其他几个应用中的光学技术，包括激光雷达、微波光子学、光频率合成和自由空间通信。 查看详细>>

新南威尔士大学的Andrey E.Miroshnichenko教授团队采用具有天线状光场、强电磁场限制能力的可调谐、宽共振范围的金属纳米腔，以及具有高温度稳定性的过渡金属二硫化物(TMDC)二维薄层，成功构建了杂化等离子体超构材料腔，并深入探索了光与杂化等离子体超构材料腔之间的相互作用。该成果为新型光电器件、量子信息技术的发展奠定了基础。 光与物质之间的强耦合作为一种基本的量子光学现象，近年来也吸引了研究者们的广泛关注，其不仅具有重要的科学意义，并且对于新型纳米光子器件、高灵敏度传感器、单光子源等新型器件的研发具有重要意义。“等离子激元”是指局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的混合激发态，而“激子”则是半导体中电子和空穴由其间库仑相互作用而结合成的一个束缚态系统。具有高可调谐性、强电磁场限制能力的等离子体纳米腔，是实现等离子激元与激子强耦合的基础，要实现增强电磁场与物质之间的相互作用，就必须对金属腔体结构进行设计，在激子处于模式稳定的条件下，使等离子激元与激子之间的共振能量实现匹配，并且二者之间的能量交换速率大于衰减速率，才能实现增强等离子激元与激子之间的耦合强度。因此，发展具有高可调谐性、高集成性等优势的超构表面、超构光栅以及包含量子发射器的超构材料等金属腔体结构，对于量子信息技术等领域的发展非常重要。 近日，来自澳大利亚堪培拉新南威尔士大学的Andrey E.Miroshnichenko教授团队在Opto-Electronic Advances期刊发表了题为“Strong coupling and catenary field enhancement in the hybrid plasmonic metamaterial cavity and TMDC monolayers”的文章。该项研究采用具有天线状光场、强电磁场限制能力的可调谐、宽共振范围的金属纳米腔，以及具有高温度稳定性的过渡金属二硫化物(TMDC)二维薄层，成功构建了杂化等离子体超构材料腔，并深入探索了光与杂化等离子体超构材料腔之间的相互作用，包括等离子激元-激子强耦合、悬链线场增强效应等。通过改变空腔间隙的大小或厚度，可以对等离子激元的共振能量进行调节，进而与TMDC薄层中的激子实现强耦合。随着空腔间隙宽度、厚度的增大，悬链线场增强效应还将逐渐减弱，进而导致不同程度的Rabi分裂（室温下Au-MoSe2和Au-WSe2异质结构中的Rabi分裂能量介于77.86~320 meV之间）。因此还可以通过调谐悬链线场增强效应来控制等离子激元与激子之间的耦合强度。 图1左上：沿y轴偏振方向垂直入射的Au腔顶部MoSe2薄膜的示意图，右上：随Au厚度变化的吸收光谱测试结果；下：MoSe2薄膜中等离子体模式与激子之间的强耦合示意图 在未来，通过增强该腔体结构中的自发辐射几率及实现进一步的耦合强度控制，有望实现高纯度单光子源、高速纳米激光器、增强型传感器等新型器件的研发。该成果为新型光电器件、量子信息技术的发展奠定了基础。 查看详细>>

光纤激光器使用掺有稀土元素（铒、镱、钕等）的光纤作为其光学增益材料，在泵浦源的激励下发出高质量的光束，效率高且耐用，通常比其他类型激光器体积更小。尽管如此，对将光纤激光器微型化至芯片级别的需求日益增长。基于铒掺杂的光纤激光器片上微型化受到广泛关注，然而，窄线宽铒掺杂波导激光器面临的主要挑战是集成具有低背景噪声和长度足够长的有源波导，其长度范围通常从几十厘米到米级，以确保单频操作和提供足够的往返增益。 来自瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员开发了首个芯片集成的掺铒波导激光器，采用米级长的铒掺杂氮化硅波导，可以提供超过30 dB的净增益和超过100 mW的输出功率，其性能接近光纤激光器和最先进的半导体扩展腔激光器。相关研究成果发表于Nature Photonics上。 芯片级激光器 研究人员使用最先进的制造工艺开发了芯片级掺铒激光器，其结构包含一个掺铒光子集成电路和一个边缘耦合的III-V族半导体泵浦激光二极管。首先，他们基于超低损耗的氮化硅光子集成电路构建了米级长的芯片光学腔，其腔内基于微环的Vernier滤波器能够在掺铒增益带宽内实现单模激光。“由于集成了微环谐振器，即使在紧凑的芯片尺寸下，我们也能够将激光腔设计为米级长度”研究人员说道。 图1混合集成Vernier激光器的示意图 然后，研究人员在芯片中掺入了高浓度的铒离子，创建了激光所需的有源增益介质。最后，他们将光路与III-V族半导体泵浦激光器集成，以激发铒离子产生激光束。为了优化性能并实现精确的波长控制，研究人员设计了一种创新的腔内设计，采用基于微环的Vernier滤波器——一种可以选择特定光频率的光学滤波器。 功率、精度、稳定性和低噪声 为了表征铒掺杂波导激光器的性能，研究人员对激光器进行了光子封装，如图2所示。该激光器显示出超过70 dB的边模抑制比，超过了以往集成掺铒激光器和光纤激光器的表现。同时，这些滤波器允许激光器在宽波长范围内动态调谐，使其在各种应用中具有多功能性和可用性。该设计支持输出稳定的单模激光，具有50 GHz的极窄本征线宽。同时，确保了在光谱范围内的单频稳定输出，适用于高精度测量应用。 图2基于氮化硅光子集成电路的全封装的混合集成掺铒激光器 新激光器的输出功率已经超过10 mW，边模抑制比大于70 dB，性能优于许多传统系统。它还具有窄线宽，这意味着其发出的光“非常纯净和稳定”，研究人员表示，这对于传感、陀螺仪、激光雷达和光频率计量等相干应用至关重要。 基于微环的Vernier滤波器使激光器在C波段和L波段内实现40 nm的宽波长可调性，在调谐和低光谱伪影指标上均超越了传统光纤激光器。同时，该铒掺杂波导激光器兼容当前的半导体制造工艺，具有结合光纤激光器相干性和集成光子学低尺寸、功耗和成本的潜力。这类激光器可应用在如相干传感的现有技术上，同时也为需要高产量的新兴应用提供了潜在性解决方案，例如相干激光雷达、光子雷达和相干光通信。 查看详细>>