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>>

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>>

作为一种光探测系统，激光雷达（LiDAR）可以实现高分辨率、高精度的测距、测速以及精确的物体感知。凭借探测距离远、相干性好、时空分辨率高等优点，激光雷达被广泛应用于机器人、自动驾驶、安防、环境监测等领域。MEMS微镜作为一种微光机电系统（MOEMS），已广泛应用于医疗、汽车、消费和电子等众多领域。当前，业界对具有广阔前景的小型激光雷达的需求不断增长。之前，已有研究开发了大量使用电热、静电、压电和电磁驱动的微镜。其中，电磁微镜凭借体积小、偏转角度大、驱动电压低、功耗低等优点而受到广泛关注。 电磁谐振微镜在激光雷达研究中正发挥着越来越重要的作用，但空气和结构阻尼导致的能量损耗比较严重。因此，微镜当前的开发难题在于功耗和偏转角度。电路或算法调制可用于实现微镜的开环驱动。微镜的初级激励可通过固定频率信号激励实现。由于系统的阻尼作用，开环驱动会限制扫描范围和振动连续性。 自动增益电路（AGC）和锁相环（PLL）是实现MEMS谐振器闭环驱动的两种常见电路。然而，由晶体振荡器、位置敏感探测器（PSD）和模数转换器（ADC）电路组成的系统增加了芯片面积和系统复杂性。已有的研究表明，需要一种低功耗、紧凑型微镜来优化激光雷达系统。 据麦姆斯咨询介绍，东南大学的研究人员提出了一种电磁微镜驱动系统，该研究成果已发表于Sensors期刊。研究人员通过系统级建模演示了该系统的自振荡模式，为激光雷达中高性能电磁微镜芯片的研究提供了基础。该研究利用集成的压阻传感器实现了偏转角检测，具有良好的灵敏度和线性度，最大速率为24.45 mV/deg。压阻传感器集成在微镜偏转梁的末端，大大节省了空间和整体复杂性。PLL电路实现了系统驱动和频率跟踪的连续谐振。该微镜系统以紧凑的电路解决了开环驱动不稳定的问题。同时，与ADC或现场可编程门阵列（FPGA）相比，系统的复杂性和占用的芯片面积都有所减少，证实了实现低功耗和轻量级设计的可能性。 由于用微镜取代了机械扫描结构，实现了高速和高精度扫描。这些优势有助于激光雷达在环境检测和无人驾驶等应用场景中的研发。由于自振荡，该系统在仿真中实现了4000 Hz和±37.6°的稳定扫描，与之前的研究相比大大提高了偏转角度和扫描频率。本研究验证了微镜系统的有效性，为进一步研究高性能激光雷达微镜芯片奠定了基础。 集成压阻传感器的电磁微镜模块框图 正弦电压激励驱动的电磁微镜 （a）微镜实验测试系统；（b）微镜PCB 查看详细>>