近期，中国科学院高能物理研究所理论物理室副研究员任婧联合香港科技大学的科研人员，在高频引力波探测方面提出了新的实验方案。该研究建议利用具有磁层的太阳系行星如地球和木星等，作为探测高频引力波信号的巨型探测器。该研究发现通过现有的卫星数据可以在广泛的频率范围内对高频引力波给出更强的限制。 此前，激光干涉仪引力波天文台探测到引力波，这推动了探测频率在十千赫兹以下的引力波信号的项目的进展。超出该频率的高频引力波可能在宇宙早期或极端致密天体的剧烈活动中产生，而关于它们的探测将为探索超出标准模型的新物理提供线索。这些引力波的波长较短，因此激光干涉仪难以捕捉到这类“高音”。研究发现，依赖逆格森施泰因效应的探测方法，使高频引力波在磁场中转换成光子以便探测。这一转换过程的效率受到引力波相互作用、磁场强度和传播距离的影响。同时，强度大或空间分布广的磁场可以在一定程度上弥补引力相互作用较弱的影响。现有提案考虑到实验室、致密星或星系内外等不同环境下的磁场，但这些提案的探测效果受限。 该团队提出将太阳系行星作为探测高频引力波信号的实验室，利用环绕行星的科学卫星探测引力波在行星磁层中转换产生的信号光子。考虑到天文观测所涵盖的电磁波段，该方案能够探测到相同频率的引力波转换而成的光子信号，实现对更广泛引力波频段的覆盖。同时，信号光子的特征与引力波的性质及卫星的轨道轨迹相关。与其他探测方案相比，这一方案具有磁场强度确定性高、引力波-光子转换有效路径长、信号通量角分布广等优势。研究表明，应用现有的低轨道地球卫星数据，行星磁层系统能够在广泛的频率范围内对高频引力波给出更强的限制，并覆盖大片之前未涉及的参数空间。上述成果为创新探测方法奠定了基础，也为探索宇宙的隐秘角落开辟了新视角。相关研究成果发表在《物理评论快报》上。 行星磁层系统探测高频引力波示意图（左）；低轨道地球卫星数据对随机高频引力波特征应变的95%置信水平上限（右） 查看详细>>

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部胡丽丽研究员课题组，提出一种基于稀土离子Dy3+掺杂石英玻璃作为黄光激光材料的新方案，相关研究成果以“Effect of P/Al ratio on the X-ray induced darkening in Dy-doped silica glasses at visible wavelengths”发表于Journal of the American Ceramic Society。 目前，Dy3+掺杂材料的黄光激光在玻色-爱因斯坦凝聚、光凝治疗等领域具有重要应用潜力。氟化物光纤基质由于其低声子分布而被广泛用作可见光增益光纤的主体材料。然而，氟化物光纤存在化学稳定性和机械性能不好、制备条件苛刻等限制，这大幅增加了制备成本和难度。相比之下，石英玻璃基质因具有物化性能和机械性能优异、光学性能好的优势而获得了快速发展，并成功实现了Dy3+离子的黄光激光输出。然而，掺Dy3+石英光纤在蓝光的激发下存在光子暗化的问题，限制了输出功率的进一步提升。因此，如何抑制光暗化成为了可见光激光器领域亟需解决的关键科学问题。 研究团队提出一种抗光子暗化型掺Dy3+石英玻璃的新方案。该方案通过提升P/Al比，从玻璃基质内部抑制了Dy离子变价以及Al-OHC等缺陷的形成，从而大幅降低了辐照引起的吸收损耗。石英玻璃中，Al是常用的稀土离子分散剂，可以提高稀土离子的分散性和溶解度。但由于Al3+在石英玻璃中的价态与基质Si不匹配，在吸收一定能量后（蓝光、紫外线辐照）很容易产生空穴中心Al-OHC等缺陷。引入P，能够与Al形成价态平衡且稳定的[PAlO4]结构基团，这抑制了Al相关缺陷的形成，从而提升了掺Dy石英玻璃的抗光暗化性能。该工作为可见光光纤激光器提供关键材料和方法支撑。 图1提升P/Al比抑制了石英玻璃辐照诱导产生的缺陷 查看详细>>

近日，中国科学院合肥物质院等离子体所聚变堆包层与安全研究中心的霍志鹏副研究员及其指导的硕士研究生鲁义东研制了一类用于中子伽马混合场辐射屏蔽的微米板Sm2O3增强含硼聚乙烯复合材料，同时针对材料的微结构与热、力学以及辐射屏蔽性能之间的关联机制展开了实验研究，并申请了1项发明专利。相关研究成果发表在材料科学1区TOP期刊Composites Science and Technology上。 辐射防护三要素包含时间防护、距离防护和屏蔽防护三种基本措施。在条件受限情况下，辐射工作人员必须长时间在辐射场环境工作，因此辐射屏蔽材料成为最重要的一道核安全屏障。核反应产生的高能中子和伽马射线穿透性强，会对人体造成组织损伤、生殖损伤和基因损伤，因此，如何屏蔽中子和伽马射线成为核辐射防护的研究重点。传统的铅硼聚乙烯复合材料被广泛应用于中子伽马混合屏蔽场合，但铅作为一种重金属元素具有高生物毒性，对人和环境有害。稀土元素钐（Sm）同时具有高热中子吸收截面与高原子序数，是一种理想的中子伽马双功能吸收剂。然而目前针对稀土元素相关的辐射屏蔽材料研究缺乏深入的材料微结构与复合材料性能之间关联机制的研究报道。因此，合成具有特定微观形貌和高比表面积的稀土填料用于中子伽马复合屏蔽材料的研发十分必要。 本研究采用均相共沉淀法合成了一系列具有不同比表面积和粒径分布的微米板Sm2O3填料，XRD测试确定了合成Sm2O3填料的物相为立方晶系、体心立方格子，空间群为Ia（206），晶体学计算结果表明填料的晶粒尺寸随反应物硝酸钐和尿素的摩尔比（R值）的减小而减小，而填料颗粒的比表面积随R值减小而增大。合成Sm2O3填料的N2吸附/脱附等温线符合国际纯粹化学联合会（IUPAC）分类的IV型，回滞环为H3型，与SEM图像印证进一步确定其微观形貌为层状堆叠带狭缝状孔隙的板状结构，其BET比表面积可达9.12m2/g。研究发现通过改变R值可以调控Sm2O3晶粒生长过程中奥斯特瓦尔德熟化和取向生长机制之间的竞争平衡，获得尺寸均一、高比表面积的微米板Sm2O3填料。当反应物溶液中尿素水解的氢氧根离子浓度增大，Sm2O3晶粒沿（622）、（440）、（400）晶面的生长受到促进，而沿（222）晶面的生长受到抑制，晶粒沿晶面生长存在各向异性，晶粒沿优势晶面取向生长形成一维纳米晶体，随后相邻纳米晶体通过直接键合和结晶进一步组装形成二维类板结构，二维类板结构遵循奥斯特瓦尔德熟化机制继续生长，最终形成尺寸2-3 m的三维微米板结构。随后制备了一系列不同比表面积微米板Sm2O3增强含硼聚乙烯复合材料，并研究了Sm2O3填料的微结构对于复合材料热稳定性、力学与辐射屏蔽性能的影响。 结果表明，尺寸均一、高比表面积的微米板Sm2O3填料可以在基体分子链中产生更多的限制位点以提高复合材料的热稳定性和力学性能，且在复合材料基体中具有更佳的分散性，其与中子和伽马光子发生相互作用的机率更大，有利于提高复合材料的辐射屏蔽性能。辐射屏蔽测试表明厚度为15cm的优选复合材料对252Cf中子源辐照屏蔽率达98.7%，对Cs-137伽马源辐照屏蔽率达72.1%，优于不含微米板Sm2O3填料的对照组材料。该工作从材料学的角度为辐射防护技术的进步提供了新思路。 该研究得到了安徽省生态环境科研项目、安徽省高校协同创新项目、聚变堆主机关键系统综合研究设施和合肥综合性国家科学中心能源研究院（安徽省能源实验室）等项目的资助。 图1微米板Sm2O3（a）填料和微米板Sm2O3增强含硼聚乙烯复合材料（b-c）的断面SEM 图2微米板Sm2O3增强含硼聚乙烯复合材料的DSC（a）和应力应变曲线（b） 图3微米板Sm2O3增强含硼聚乙烯复合材料的中子（a）和伽马透射率（b） 图4微米板Sm2O3增强含硼聚乙烯复合材料的中子伽马屏蔽机制示意图 查看详细>>

在光学和微纳加工领域，精确操纵激光以满足日益增长的微型化需求，是推动现代电子和生物医学设备发展的重要挑战。近日，日本东北大学的研究人员成功演示了通过干涉技术增强径向偏振光束的纵向电场，以提升激光烧蚀技术的精度，成功实现了小于100 nm直径的精细特征加工。这项技术不仅在半导体制造领域具有潜在应用价值，还可能革新医学领域的微观操作，同时为激光加工技术提供了一种实现纳米级精度的新方法。 图1研究人员通过塑造激光光束，使其发生全内反射，将来自激光的径向偏振光聚焦到玻璃片远侧的非常小的点上，从而增强了其纵向电场 缩小激光焦点尺寸：实现细微尺寸特征加工 使用几百飞秒（10-15 s）的激光脉冲，可以精细雕刻出微米级别的特征，而且几乎不会产生热量。但是，现代电子及生物医疗设备通常需要100 nm或更低的细微尺寸特征。满足这些尺寸要求主要是通过缩小激光焦点的大小，然而，这一目标通常受到激光的波长和用于集束光线的透镜数值孔径制约。 缩小光斑尺寸的一种方法是使用径向偏振光束，即光束的电场矢量全部指向其中心。这种光束可以通过在焦点处产生纵向电场，从而提高分辨率，相较于传统的线性或圆偏振光而言有所改进。径向偏振已经在一种特定形式的显微镜技术中得到应用，它也有潜力改善超快激光加工技术。 然而，在不同材料之间的界面处产生足够强的纵向电场是一个主要挑战。纵向电场的强度随着所涉及两种材料的折射率平方比例的变化而变化，因此，当光线从空气进入玻璃等材质时，其强度可能会严重减弱。 创新聚焦策略：径向偏振光束和干涉增强 最近，日本东北大学的Yuichi Kozawa及其同事展示了如何通过将径向偏振光束聚焦在透明材料内侧的远表面，而非较近的外侧表面，来克服这一问题。他们还通过利用入射波和反射波之间的干涉来增强纵向场的强度。 研究人员首先通过计算机模拟，研究了径向偏振光束的纵向场强度及其光斑尺寸在通过高数值孔径透镜聚焦时的变化情况。他们发现，在空气中，强度在焦点处达到最高，形成一个紧凑的圆形斑点。仿真结果表明，如果光束聚焦于玻璃块表面，折射率的差异会降低强度，形成一个环形斑点。 然而，Yuichi Kozawa及其团队展示了他们能通过将光聚焦至玻璃的远侧，并把透镜放入油中来恢复较小的光斑尺寸。由于油的折射率与玻璃相同，去除了上层界面的影响，消除了其边界条件并重新获得了纵向场的强度。 通过实验验证了这些模拟结果，他们使用约300 fs、波长为1040 nm的激光脉冲，通过一个分段的半波片后，将其聚焦在硼硅酸盐玻璃板的前面或后面。采用三种不同的透镜和方位光，他们发现只有在使用径向偏振光束并且用数值孔径为1.4的透镜将脉冲聚焦至玻璃板的背面时，才能生成直径约为200 nm的圆形烧蚀坑，而不是环形坑。 图2通过单次激光照射玻璃背面，使用环形的径向偏振光束制造出一个大小约为波长1/16的烧蚀坑 增强纵向场强度：提高激光加工空间分辨率 此外，研究人员还探索了如何通过最大化入射波和从玻璃背面反射的波之间的干涉来增强纵向场强度。正如他们在论文中解释的那样，当所有光线反射而非折射时，即当光束以玻璃和空气的临界角入射时，这一现象就会发生。因此，他们推理，通过将光束轮廓塑造成一个狭窄的环形来限制入射波的角度，应该可以实现这一点。 通过实验，他们证实了这个想法。在实验中，他们利用空间光调制器传递激光脉冲，以产生具有不同参数的环状图案，随后对这些脉冲施加径向偏振，并将其聚焦至玻璃板的远端。实验结果表明，环形参数可以在一系列数值内变化，仍能生成光斑形状的烧蚀坑。但实验也证实，只有当这些参数接近于实现临界角所需的数值时，才能得到最小的光斑，该光斑宽度仅为67 nm，约为激光光波长的1/16。 Yuichi Kozawa及其同事认为，这些结果证明了通过操纵径向偏振激光束的纵向电场，可以控制烧蚀特征的大小。因此，他们表示，这项工作有望提高激光加工的空间分辨率，实现纳米级加工工艺。 研究人员解释说，这种利用全内反射的想法可以应用于许多现有的技术，这些技术涉及将激光束聚焦在透明材料的远表面。他们补充说，通过改变激光波长，其他材料也可以应用这种方法，例如，可以使用1100 nm或更长的激光加工硅。 查看详细>>