近期，激光和光纤技术领域迎来重大突破。 据介绍，研究人员成功展示了利用中空芯光纤（HCFs）实现高功率绿色激光脉冲的远距离传输。 这一技术的问世，标志着光纤传输技术迈入了新的革命性阶段。 研究背景与最新线索 长期以来，固体芯硅玻璃光纤在高效、灵活的光传输领域占据主导地位，尤其是在电信和工业激光器中。 然而，对于需要高功率激光传输的工业应用而言，传统光纤面临着诸多挑战。 由于克尔效应、受激拉曼散射等非线性过程以及硅玻璃的损伤阈值限制，传统光纤在传输高功率激光时往往力不从心，这极大地限制了可交付的功率密度。 空心芯光纤（HCFs）的出现，为解决这一问题提供了新的思路。在HCFs中，超过99.99%的导光被集中在中央空气（或真空）填充的芯中，从而绕开了固体硅芯或传统光纤的诸多限制。 早在2022年，英国南安普顿团队就成功展示了一种新型HCF设计的优势，通过1公里的长度传输了1kW的连续波近红外光，充分展现了这种技术的巨大潜力。 在最新研究中，该团队进一步扩展了HCF的应用范围，成功通过300米的HCF传输了千瓦峰值功率的520纳米激光脉冲。 这一突破不仅将HCF的能力扩展到绿色波长，更是对许多工业应用具有重大意义。 然而，由于结构特征微小，开发可见光波长的氢氟碳化合物面临着制造上的挑战。为了克服这些挑战，研究团队对实际充气的长距中空芯光纤进行了全面的非线性研究。 他们发现，与红外区相比，HCFs在可见光区的非线性效应更为显著，这既归因于纤芯尺寸的减小，也与工作波长的缩短有关。 用于绿色激光功率传输的空心光纤 在这项工作中，使用的HCF采用了反共振引导光的原理。通过一系列薄玻璃膜围绕光纤核心，将引导光限制在其中。这种设计通过一个由七个包层毛细血管组成的单环实现，七个包层在损耗、弯曲损耗和形态之间达到了良好的平衡。 该光纤的制造采用了贺利氏F300熔融石英玻璃的堆叠-拉伸法，芯径约为20.7微米，模场直径为14.5微米，能够引导515纳米至618纳米的光，损耗低于30 dB/km。 尽管报道的光纤长度为300米，但南安普顿研究小组已经能够利用该工艺生产出数公里长的光纤。 此外，该光纤对弯曲损耗也相对不敏感，在520纳米工作波长下，对于直径大于13厘米的弯曲，其损耗低于0.1 dB/m。 这一突破性的进展为高精度、高效的材料加工提供了关键技术支持，尤其是在绿色激光的应用中。 未来，这种技术有望在电动汽车制造等行业发挥重要作用，特别是在电池生产等关键环节中发挥巨大的潜力。 功率传输结果：峰值功率18kW 经过精确的实验验证，他们成功将一种内部制造的15.5W/520 nm倍频掺镱光纤激光器应用于功率传输实验，该激光器以1.6 MHz的重复率产生约520 ps的脉冲，其峰值功率高达18kW。 为了与光纤相匹配，他们将激光聚焦到15μm的模场直径上，从而实现了高达86%的耦合效率。在实验中，我们分别测试了2,100 m和300 m长度的HCF，其平均输出功率分别为13.2 W、6.7W和3W，而对应的峰值功率则分别为15.9 kW、8 kW和3.6 kW。 目前，随着低损耗和可见光导向中空芯光纤的涌现，研究人员有理由相信其将显著提升输送效率，并有望实现千米级别的电力输送。 值得注意的是，尽管纤维芯内的能量密度高达5.5 J/cm2，但在实验过程中我们并未观察到任何纤维损伤的迹象。此外，在所有测试长度中（M2<1.1），光束质量均保持在较高水平，这对于精密微加工以及长距离应用而言至关重要。 克服实心二氧化硅光纤的非线性限制 在克服实心二氧化硅光纤的非线性限制方面，该团队取得了显著进展。由于芯尺寸减小（这是实现单模操作所必需的），实心硅光纤在可见光下的非线性限制成为一个尤为突出的挑战，这通常会导致光谱显著增宽。 为了验证其HCF在非线性方面的优势，研究人员将其与一段15米长、10微米芯的光子晶体光纤（PCF）进行了对比。 在相同的测量设置下，他们发现HCF的损耗与PCF相当，但300米长的HCF所展现出的光谱展宽明显小于PCF，这清晰地表明了中空芯光纤在非线性方面的卓越性能。 查看详细>>

一个科学家团队开发出了一种利用光的结构来扭曲和调整量子材料特性的方法。他们的研究成果发表在今天的《自然》（Nature）杂志上，为下一代量子电子学、量子计算和信息技术的发展铺平了道路。 由美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学研究人员领导的研究小组将这种方法应用于一种名为六方氮化硼（hBN）的材料，这种材料由单层原子以蜂窝状排列而成，其特性使其非常适合量子操纵。在实验中，科学家们利用一种电场看起来像三叶草的特殊光线，以超快的时间尺度在量子水平上改变和控制材料的行为。 光波控制谷值选择性带隙修正 光波的扭曲方式还能让研究人员精确控制材料的量子特性--决定电子行为的规则，而电子对电力和数据流至关重要。这种按需控制量子特性的能力可以为未来技术创造超快量子开关铺平道路。 领导这项研究的SLAC和斯坦福大学科学家Shubhadeep Biswas说：“我们的工作就像是找到了一种与量子世界窃窃私语的新方法，让它向我们揭示自己的秘密。” 传统技术通常要求光具有恰到好处的能量才能与材料发生作用，而这种新方法巧妙地绕过了这一限制。通过使用一种特殊的光并调整其模式以匹配材料的模式，科学家们可以将材料哄骗成新的构型，而不受材料自然属性的限制。 这种灵活性可以使这种方法适用于广泛的应用，从而更容易开发出新技术。从本质上讲，研究小组创造了电子以新的可控方式运动的条件。例如，这可能会导致量子计算机超快开关的开发，从而大大超越我们现在使用的计算机。 除了眼前的成果，这项研究还为未来在"valleytronics"领域的应用带来了希望。"valleytronics"是一个利用驻留在材料不同能量谷的电子的量子特性进行信息处理的领域。传统方法需要与这些能谷相匹配的光，而新方法与之不同，适应性更强，为开发量子设备提供了新的方向。 研究人员操纵氢化硼中量子能谷的能力可能会带来新的设备，如超高速量子开关，它们不仅能在0和1的二进制上运行，还能在更复杂的量子信息环境中运行。这将使处理和存储信息的速度更快、效率更高。 合作者、LCLS研发部主任Matthias F.Kling说："这不仅仅是开关的问题。这是在创造一种可以同时存在于多种状态的开关，极大地增强了我们设备的能力和潜力。它开辟了一种在量子水平上设计材料特性的全新方法。潜在的应用领域非常广泛，从量子计算到新形式的量子信息处理。” 这项研究还揭示了科学家与量子世界互动和控制量子世界的基本方式。对于参与其中的科学家来说，进入量子领域的旅程不仅仅是为了获得发现的快感，更是为了突破可能的极限。 Biswas说："最令人兴奋的一点是我们的发现所具有的巨大潜力。我们正处于技术新时代的风口浪尖，我们才刚刚开始探索利用量子材料的力量所能实现的一切。” 研究小组成员还包括来自加兴马克斯-普朗克量子光学研究所、德国慕尼黑路德维希-马克西米利大学和西班牙马德里材料科学研究所的研究人员。 查看详细>>

近日，四川大学电子信息学院周寿桓院士团队汪莎研究员课题组提出了基于类人智能算法的固态超快激光系统对准方法。该智能系统基于多算法融合，可以充分模拟经验丰富的实验人员在调整激光准中和锁模过程中的观察、分析、决策和行动过程。智能调节从无激光发射状态出发，在40秒内实现激光出光和稳定锁模。该技术首次为需要全自动出光和稳定锁模的超快固体激光器提供了有效的解决方案。 由于固体锁模激光器具有平均和峰值功率缩放能力强、波长覆盖范围广等优点，在材料加工、生物医学、精密距离测量等多个领域得到了广泛的应用。半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模激光器是产生超短脉冲的常用配置。然而，在这种配置中，由于涉及到多个光学元件，如平面镜、凹面镜、SESAM、输出耦合器(OC)等，锁模固体激光器的腔体结构相对复杂，这些元件的对准和相对位置会极大地影响激光器的性能。与光纤激光器相比，固体激光腔的对准需要更多的时间和精力。因此，在固态超快激光系统中实现智能、高效的激光发射和锁模具有重要意义。神经网络、强化学习、优化算法等许多智能算法都擅长解决复杂实验中多参数的调整问题，因而近年来在激光技术中得到了应用。然而对于固态激光器，人们的努力主要集中在优化激光输出特性上，特别是在辅助稳定激光输出功率、指向方向、模场尺寸等方面。目前还没有关于锁模激光器从未发射状态到稳定锁模状态全过程的全自动控制的报道。 在这项研究中，整体的实验装置如图1所示，算法流程如图2所示，为了实现激光器的全自动出光，首先将泵浦功率设置在激光阈值以下，通过CCD检测增益材料产生的OC后荧光。利用神经网络对收集到的荧光图案进行分类，这些不同形貌对应于增益介质旁边凹面镜的不同位置。通过反馈控制引导凹面镜上的压电惯性驱动控制器分别向右和向左移动。直到其都达到激光发射的最佳位置。 图1智能类人固态锁模激光系统原理图 图2智能激光发射与锁模流程图 由于OC和SESAM的错位会导致腔内双向荧光不重叠。荧光强度与双向荧光的重叠程度呈正相关。研究人员们采用一种基于深度强化学习的改进ARS方法调节OC和SESAM的角度来寻找最大强度，最大强度对应于荧光重叠最好的位置，如图3所示。改进的ARS算法将通过模仿有经验的实验人员来调整激光腔。实现激光发射后，将泵浦功率提高到1000 mW，进一步实现激光腔的智能锁模。将输出激光通过散射介质，采集激光散斑图。通过监测散斑的变化并对腔内光学元件提供反馈控制。使用CNN对锁模状态和连续波状态对应的散斑模式进行分类识别，如图4所示。在此基础上，提出了一种滑动窗口策略，通过计算窗口内对比度的方差，表明当前锁模状态是否稳定。这个过程类似于经验丰富的实验人员调整SESAM的位置以获得锁模激光脉冲。 图3神经网络架构以及凹面镜不同位置对应的荧光模式分类结果 在多次实验中发现，实现稳定锁模需要的时间取决于每个光学元件的初始位置和角度。该智能算法的计算速度非常快。在智能控制过程中，训练好的神经网络只需要0.03秒就能对每一个收集到的模式进行分类。改进的ARS算法和滑动窗口策略每次执行大约需要0.01秒。在智能调节过程中，大部分时间消耗在位移和旋转驱动控制器的机械运动上。所有光学元件可在40秒内完成全自动调整。 图4神经网络架构以及SESAM不同位置对应的散斑模式分类结果 另外，当锁模状态变得不稳定甚至消失时，重新采用二元分类神经网络、随机搜索和滑动窗口策略对压电驱动控制器进行调整，可以在9.1秒内恢复到稳定的锁模状态。给出了自动锁模激光器的输出特性，如图5所示，表明类人算法自动控制激光器的特性与人工控制激光器一样好，但调整时间要快得多。 图5智能锁模激光器性能分析 基于类人算法的智能超快激光器基于多种指针与算法的融合，结合了人与机器的优点，简单经济，能在短时间内准确实现激光的全自动发射和稳定的锁模。不同锁模状态(如调Q锁模、谐波锁模、多脉冲锁模)的频谱是完全不同的。神经网络能够以原子计的波长精度对散斑模式进行分类。因此，激光散斑也可用作识别更复杂的锁模态的指示。此外，基于激光散斑和智能算法的调节系统还可以实现激光输出的中心波长和谱宽等光谱可调。通过使用高速CCD、压电陶瓷和定制硬件(如FPGA)，还可以使智能锁模速度得到进一步的加快。 查看详细>>

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>>