激光器应用广泛 基于纤维素纸的可控随机激光器问世-科技世界网
激光器应用广泛 基于纤维素纸的可控随机激光器问世
2016-11-22 13:55:31   来源:新华网
内容摘要
随机激光器的反馈机制是以随机散射为基础的,其内部的微观结构也能发射光线,但是光线散射方向各异。慕尼黑技术大学斯特劳宾科学中心一直关注生物聚合物领域的材料合成研究,利用自然和生物材料的模型开发出了新的材料和技术。此前,​澳大利亚国立大学一项研究发现通过向纳米激光器中添加锌原子,可显著改善激光器性能。

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一般而言,激光器有两个重要组成部分:首先,需要放大光的介质;其次,将光保持在介质中的结构。经典激光器使用镜子对准目标均匀地排列和发射光线。

据外媒报道,来自意大利罗马大学和德国慕尼黑技术大学的国际团队,创建了第一个基于纤维素纸的可控随机激光器,其成功利用了陶瓷二氧化钛的光散射效应。该成果发表在最新一期《高级光学材料》杂志上,详细阐述了科研人员“将生物结构应用于随机激光器模板的技术”。

随机激光器的反馈机制是以随机散射为基础的,其内部的微观结构也能发射光线,但是光线散射方向各异。

慕尼黑技术大学斯特劳宾科学中心关注生物聚合物领域的材料合成研究,利用自然和生物材料的模型开发新的材料和技术。在实验中,他们用有机金属化合物原钛酸四乙酯浸渍常规的实验室滤纸,待干燥后将之置于500摄氏度的温度中,生成了通常用在防晒霜中的陶瓷二氧化钛。

防晒霜的防晒效果是基于二氧化钛的强烈光散射效应,随机激光器也利用了这一效应。研究团队认为,滤纸中的长纤维可形成稳定结构,因此可以作为随机激光器的结构模板使用。

研究人员还发现,在光谱仪的帮助下,他们能够区分结构模板材料中不同波长的激光并将其单独定位、彼此分开。虽然随机激光器的发展仍在起步阶段,但鉴于它的多方向性且多种颜色等功能特点,可用作微型开关或检测结构变化。


两个激光器在空间和时间上进行电子的控制

近日,来自维也纳技术大学(维也纳)的一组研究人员,与来自埃尔朗根-纽伦堡大学(德国)的研究人员一起合作,已经开发出一种相比以往具有更高精度控制的电子发射方法。在两个激光脉冲的帮助下,有可能实现在非常短的时间尺度上进行电子流动的开关切换。


只是针尖

“其基本的想法就像一个避雷针,”Christoph Lemell(来自于维也纳技术大学)说,“针周围的电场的最强处恰好在针的尖端。这就是为什么闪电总是击中一根杆的尖端,正是同样的原因,电子会留在一根针的顶端。”

具有非常尖结构的针,可以用现代的纳米技术方法进行制备。他们的尖端只有几纳米宽,所以在这一点上发射电子可实现很高的精度。此外,对于在哪个时间点上发射电子的控制也是重要的。

利用一种新的方法,这种对于时间上的控制已成为可能。“两个不同的激光脉冲在金属尖端发射。”来自维也纳技术大学的Florian Libisch解释说。选择这两个激光器的颜色,使得这样的一个激光的光子具有恰好两倍于其它激光光子的能量。同时,确保光波振荡的完美的同步性也是十分重要的。

在计算机模拟的帮助下,维也纳技术大学的研究团队能够预测,两个激光脉冲之间微小的时间延迟可以作为一个“电子开关”。这一预测已经由埃尔朗根-纽伦堡大学的Peter Hommelhoff教授的研究团队进行了实验上的证实。在这些实验的基础上,现在就有可能详细了解这个过程了。


吸收光子

当激光脉冲在金属尖端发射时,它的电场可以让电子从金属中裂开出来,这是一个众所周知的现象。新的想法是,利用两个不同的激光的组合可以用来在飞秒时间尺度上控制电子的发射。

有不同的方法可以使一个电子获得足够的能量离开金属尖端:它可以吸收两个来自高能量激光的光子或四个来自低能量激光的电子。这两种机制都会有同样的结果。“就像在双缝实验中的粒子,是同一时间两个不同的路径,电子可以同时参加两个不同的过程。”来自维也纳技术大学的Joachim教授说:“本质上不是必须选择两种可能性中的一种,两者都是同样真实且互相干扰。”

通过仔细调整两个激光器,它是可能实现两个量子物理过程是否相互放大的控制,这导致了电子发射的增加,或他们是否会相互抵消,那意味着几乎没有任何电子发射。这是一种简单有效的控制电子发射的方法。

这不仅是一种新的实现高能量电子实验的方法,这种新技术也打开了可实现X射线控制时代的大门。“新型的X射线源已经使用窄的金属尖端阵列作为电子源实现,”Lemell说,“利用我们的这种新方法,这些纳米尖端可以恰好正确的方式被触发,并产生相干X射线辐射。”
 

超快光纤激光器应用于特殊材料的研究

通过新的应用与传统激光器市场的占有率对比,光纤激光器的市场进一步提升是有可能的。研究人员也正在使超快光纤激光技术应用在多用户应用上,如斯坦福SLAC国家加速器实验室(National Accelerator Laboratory in Stanford)和劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)(Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley),他们都在加利福尼亚州。同步加速器和自由电子激光器(FELs)的发展,给研究者提供了通往更亮、更短的X射线源。多年来,斯坦福同步辐射光源(SSRL)提供X射线脉冲,研究材料的分子和晶体结构。最近,一个“低-α模式”的研发,X射线脉冲可达到1ps。

同时,在斯坦福直线加速器中心(SLAC)的直线加速器相干光源(LCLS)提供亚百飞秒脉冲,在波长短至0.15nm时大约1012个X射线光子。这些超快稳固的X射线脉冲,同时具有高的空间和时间的连贯性,使新的科学领域的研究从3-D成像和重要的生物分子动力学研究到表征物质的瞬时状态研究。

在同步加速器和自由电子激光器(FELs)里,能量是通过电子束在一变化的磁场中传递得到的。电子行进路线受变换极性的磁体阵列影响,来回弯曲,导致以光的形式释放能量。就同步加速器而言,激光是空间不连续的,典型脉冲是100fs,但是自由电子激光器(FELs)发射出强烈的空间相干光光束,脉宽短至几十飞秒。为了工作在稳定的X射线波长,电子束必须紧束,以便他们与释放出来的光相互相干(有效地实现受激辐射)。

因为自由电子激光器FEL没有谐振腔并且是一个单通的设备,需要一束非常明亮的激光束来达到增益饱和状态。有时这是通过使用传统的超快激光源(如的Nd:YLF或掺钛蓝宝石),激发在加速的射频区域中的光电阴极,充当电子注射器来实现的。通过超快激光锁定到主时钟得到同步信号。主时钟正在控制直线性加速器。


澳科学家发现提高纳米激光器性能的新途径

澳大利亚国立大学于2016年7月5日表示,研究发现通过向纳米激光器中添加锌原子,可显著改善激光器性能。这一发现可应用于生物医学传感器、量子计算和更高速的互联网。

澳国立大学物理和工程研究院博士生蒂姆·伯杰斯说,研究人员向一种纳米激光器中添加了锌原子,激光器发射的激光量由此提高了100倍。这种激光器的直径是人头发直径的百分之一,由在智能手机和其他电子设备中常用的砷化镓材料制成。

“通常情况下我们不会特意检视砷化镓纳米晶体发出的光,我们起初只是想通过添加锌原子提高激光器导电率,”伯杰斯说,“当我碰巧去检查激光发射时,才有了这个新发现。”

研究人员表示,这一新发现成功提高了纳米结构内产生光的数量,为研究具有增强光发射效率的其他纳米结构开辟了新机遇,并有助于进一步缩小激光器的尺寸。伯杰斯表示向砷化镓中添加锌原子不仅能提高激光发射性能,还可适用于提高高速电子元件的性能。

这一研究发表在英国《自然·通讯》杂志上。

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