波長尺度的光子學

光之所以在生產(chǎn)生活中如此有用，其中一個重要因素是其擁有較短的波長——其能夠?qū)崿F(xiàn)清晰的圖像、超高速通信，在某些情況下還能實現(xiàn)緊湊的硬件。越來越多的光子器件正在更加深入地利用光的波長特性，將器件的物理結(jié)構(gòu)尺寸從幾個波長量級縮小到了亞波長量級。

電影《哈利·波特》中出現(xiàn)的隱身斗篷將不再是科幻。德國卡爾斯魯厄理工學院和英國倫敦帝國學院的科學家們，已經(jīng)制成了一種超材料隱身斗篷，并能在三維空間實現(xiàn)隱身。在此之前，隱身斗篷只能在二維空間實現(xiàn)隱身（見圖1）。^[1]利用激光光刻技術(shù)，研究人員創(chuàng)建了一個三維“木堆”（Woodpile）結(jié)構(gòu)的聚合物/空氣光子晶體，具有定制的填充率，用這個光子晶體隱藏一個金反射物（盡管這種斗篷聽起來并不是非常有用，但是其與其他波長尺度的結(jié)構(gòu)相結(jié)合時，則會變成一種有用的工具）中的凸起。這種隱身斗篷之所以引發(fā)了業(yè)界的興趣，是因為它能在一個非常大的非偏振光帶寬（1.4~ 2.7μm）范圍內(nèi)實現(xiàn)隱身。

      圖1：在一個暗場成像中，金凸起是可見的（a）；3D隱形斗篷隱藏了金凸起（b）。在明場成像的情況下也能得到類似的結(jié)果。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員研制出了亞波長微腔激光器。該激光器的諧振腔由兩個半徑為10μm的半圓形金電容構(gòu)成，兩個電容由一個10μm長的鏈環(huán)連接，作為感應器。實際上，他們是用共振電路代替了光學振蕩器。這種方法實現(xiàn)了比以往任何電泵浦的微腔激光器都小的有效模式體積。激光器的量子級聯(lián)增益區(qū)的厚度為8μm，輸出波長為207μm。研究人員表示，未來這種激光器還有望實現(xiàn)更小的模式體積，并且能夠在近紅外區(qū)域?qū)崿F(xiàn)輸出。

市場對發(fā)射暖白光的LED的需求日趨旺盛，但是暖白光LED的發(fā)光效率要低于冷白光LED。土耳其比爾肯特大學和新加坡南洋理工大學聯(lián)合開發(fā)出了一種具有納米晶體量子點（QD）熒光體的暖白光LED，其發(fā)光效率要高于之前最好的暖白光熒光體。量子點具有一個硒化鎘核心和一個涂有長鏈胺帽的硫化鋅外殼，能發(fā)射綠光、黃光和橙光。將量子點與標準的氮化鎵基藍光LED集成，結(jié)果將會產(chǎn)生一個顯色指數(shù)約為90、色溫低于3000K的光。量子點本身具有創(chuàng)紀錄的發(fā)光效率，其值超過350lm/W（該值是針對熒光體而非整個LED）。
 

用光照射一個具有適當結(jié)構(gòu)的表面，可以成為表面等離子體，即金屬表面上電子的相干振蕩，這為控制光提供了一種新方法。為了提高有機光伏電池的性能，美國利哈伊大學、中科院、清華大學和美國國家科學基金會的研究人員，已經(jīng)設計并模擬了一個不受偏振影響的納米結(jié)構(gòu)表面，并具有排列著納米孔的銀激活層，其能支持短距離表面等離子體電磁極化模式。^[2]這種方法能將光伏電池的性能提高39％~112％。

讓光工作

2010年光子學領域取得了很多喜人的進展，盡管很多發(fā)展尚處于早期階段，但這似乎并不能阻止未來它們被廣泛應用的步伐。

相比于使用長脈沖或連續(xù)波激光器的微機械加工，飛秒激光微加工具有諸多優(yōu)勢：飛秒激光微加工能夠分裂化學鍵，而不是溶化或蒸發(fā)物質(zhì)，從而對周圍物質(zhì)產(chǎn)生的破壞性很小，并且能加工透明材料。飛秒激光加工通常使用的都是高斯光束，但是法國弗朗什孔泰大學和澳大利亞麥考瑞大學的研究人員卻一直在使用貝塞爾光束。他們能夠在玻璃中加工錐度自由的微通道，縱橫比高達40，直徑小至2μm（見圖2）。研究人員表示他們還能獲得更好的結(jié)果，^[3]并指出，這種方法還能加工出直徑200nm的納米結(jié)構(gòu)。

圖2：由飛秒貝塞爾激光束在玻璃中加工的微通道長度（a）和形態(tài)（b），作為每個脈沖能量的函數(shù)被顯示出來。

美國開發(fā)出了一種能夠識別痕量爆炸物的激光跟蹤系統(tǒng)，其能在150米遠的距離處識別TNT炸藥，信噪比可高達70。^[4]該系統(tǒng)用一臺可調(diào)諧CO₂激光器的輸光照射潛在的可疑物品，進而明確判斷出可疑物品中是否含有TNT。目前，研究人員已經(jīng)開發(fā)出了該檢測系統(tǒng)的原型，測試結(jié)果表明，與目前使用的爆炸物檢測技術(shù)相比，該檢測系統(tǒng)的靈敏度要高出好幾個數(shù)量級。使用一臺輸出相同波長的高功率、室溫下可調(diào)諧的量子級聯(lián)激光器，可以制成一臺通過屏幕檢查過往人流以及他們攜帶的物品中是否含有爆炸物和爆炸殘留物的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)將在機場安檢中非常有用。

基于光纖的超連續(xù)光源，能夠提供對光譜學、顯微鏡和光學測量非常有價值的單橫模白光。英國南安普敦大學和印度中央玻璃與陶瓷研究所的科學家們，共同建立了一臺由主振蕩器功率放大器泵浦的超連續(xù)光源，其在0.4 ~ 2.25μm的波長范圍內(nèi)，產(chǎn)生了有史以來最高的平均功率（39W）。^[5]該光源使用一根長2米、纖芯直徑4.4μm的PC光纖，承受脈寬21ps、重復頻率為114.8MHz的輸入脈沖。研究人員表示，如果使用一個光纖堵頭的話，還能使用更短的光纖，以降低吸收損耗。

美國加州理工學院開發(fā)出了一種新型顯微鏡——全息掃描顯微鏡，其不但能大幅增加視場，同時還能保持較高的分辨率（見圖3）。它用一個200點×40點的光斑網(wǎng)格照射樣品，產(chǎn)生一個6mm×5mm的視場，并能在2.5秒內(nèi)捕獲所有的圖像。照射光源的波長為532nm，光斑尺寸為0.74μm。全息掃描顯微鏡的用途包括數(shù)字病理學（顯微鏡載片被成像和數(shù)字化）、直接成像，以及血液或?qū)m頸抹片檢查（廣泛的視場有助于疾病診斷）。

圖3：全息掃描顯微鏡下顯示的一個空軍目標（a，b）和百合花粉囊（c，d）的圖像，有效視場為6mm×5mm。b、d顯示的是放大了的細部圖像。

 硅光致發(fā)光成像技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠加速太陽能電池的檢測。澳大利亞新南威爾士大學開發(fā)出的這項成像技術(shù)，目前正被太陽能電池制造商廣為采用。該技術(shù)可用來檢測硅磚塊（240mm×15.6mm）、原切割晶圓（as-cut wafer）以及完全處理過的太陽能電池。該技術(shù)擁有非常快的成像速度：能以每小時2400片的速度掃描晶圓。該技術(shù)將有望用于光伏制造領域的聯(lián)機監(jiān)視，未來還有可能用于半導體及LED產(chǎn)業(yè)中。

光纖領域的發(fā)展

克萊姆森大學的研究人員報道了半導體纖芯玻璃包層光纖的進展，這種光纖在紅外電力輸送和非線性光纖中將具有潛在用途。研究人員正在制備透明的一元（硅和鍺）和二元（銻化銦）半導體纖芯光纖。最初，研究人員預測這些纖芯是非晶的，但事實上卻是高度結(jié)晶和純相的。光纖的拉制長度范圍從數(shù)米到200米。由于硅中的拉曼增益要比二氧化硅中的高出10⁴倍以上，因此硅芯光纖在3~5μm的光譜區(qū)域作為拉曼放大器非常有用——這個區(qū)域包含與通常用來制造大規(guī)模殺傷性武器的化學品有關(guān)的吸收線。

       懸浮芯光纖是在一個較大的充氣區(qū)域內(nèi)有一個小型固體芯，如果該纖芯足夠小，就可成為一根懸浮的納米線，這開啟了有趣的非線性光學效應的大門。日本豐田工業(yè)大學的科學家利用一種氣壓膨脹技術(shù)，制造出了一種懸浮的鉛硅酸鹽玻璃纖芯的納米光纖，其多孔區(qū)和纖芯的直徑比至少為62，纖芯直徑為480nm，長度達幾百米（見圖4）。該光纖在1557nm處的光學損耗為8±2dB/m，當用1557nm的飛秒激光器對其泵浦時，能實現(xiàn)單模的三次諧波產(chǎn)生（THG）。

圖4：纖芯直徑為480nm的懸浮芯光纖，在光學顯微鏡（a）和不同放大率的掃描電子顯微鏡下所呈現(xiàn)出的圖像（b-d）。

       在光纖通信領域，正在設計各種系統(tǒng)，這些系統(tǒng)不僅用于對光信號的幅度編碼，而且還用于對其相位編碼，以達到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。但這樣一來，非線性相位噪聲便成為了性能的一個主要限制（而這在之前并不是什么問題）。對此，英國南安普敦大學、瑞典查默斯理工大學、愛爾蘭大學、丹麥OFS公司、愛爾蘭Eblana Photonics公司及希臘雅典大學的研究人員，已經(jīng)率先開發(fā)出了一款實用的全光再生器，用于消除來自編碼的光信號的相位噪聲與幅度噪聲。研究人員表示，該裝置充分利用了相敏放大器的相位壓縮技術(shù)，運行速率為40Gbit/s，并有潛力運行于更高的速率。
 
       有望變革現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新

麻省理工學院和密歇根大學聯(lián)合開發(fā)出了一臺微環(huán)激光器，由來自非相干光到相干光的一個級聯(lián)能量轉(zhuǎn)移泵浦，未來還將開發(fā)能用太陽光泵浦的版本，這意味著微環(huán)激光器可以作為一個發(fā)光太陽能收集器（LSC），用于太陽能電池中。與現(xiàn)有的非相干LSC相比，微環(huán)激光器作為LSC的一大優(yōu)勢是：光能夠沿著同一方向傳輸?shù)教�陽能電池，而不會在各個方位發(fā)生散射而導致部分光損失，這是因為激光具有單向性。
       加拿大的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了首款超快光子高階復雜場時間積分器，該設備有望成為未來全光計算機電路和存儲器的關(guān)鍵組成部分。該積分器（大約運行在535nm波長）基于一個普通的光纖布拉格光柵設計而成，用于創(chuàng)建任意階光子無源時間積分器。研究人員表示，該積分器可用于一種模擬模式，以實時求解任意階微分方程。 

對于實用集成光子學非常關(guān)鍵的一項開發(fā)中，美國康奈爾大的研究人員已經(jīng)建立了一種制造集成光子器件的方法，其將用普通的掩模和氧化技術(shù)實現(xiàn)一種完全與CMOS兼容的體硅方法，從而有望取代傳統(tǒng)的復雜的硅絕緣體方法。這個過程可以在一個標準的CMOS生產(chǎn)線上付諸實踐。在這項技術(shù)中，硅波導是由氧化創(chuàng)建的（見圖5）。研究人員表示，當計算機制造行業(yè)出現(xiàn)電子產(chǎn)品無法滿足他們對功率和帶寬的需求時，光子學器件會為他們提供解決方案。未來，將會有更多的電子公司在他們的晶圓生產(chǎn)線中集成這些處理。

圖5：用濕法氧化將一個硅波導從硅基底隔離：a）氧化之前； b）氧化1小時后；c）氧化6小時后； d）氧化后9小時后。

 全彩色（紅、綠、藍）激光微型投影機是手機制造商的夢想。但是，如果激光微型投影機的成本一直居高不下的話，那么其走向?qū)嵱弥荒苁且患埧照�。用直接綠光半導體激光器取代倍頻綠光激光器，能大幅降低激光微型投影機的成本。Microvision公司宣布，他們已經(jīng)將來自兩家領先生產(chǎn)商的綠光半導體激光器整合到了其微型投影機原型中。雖然Microvision并沒有說明其使用的綠光半導體激光器是哪些公司生產(chǎn)的，但是我們從相關(guān)的報道中了解到，目前市場上有五家生產(chǎn)直接綠光半導體激光器的公司：歐司朗、原Kaai（即現(xiàn)在的Soraa）、Nichia、Rohm和Sumitomo。目前市場上的直接綠光半導體激光器的輸出波長范圍為510~520nm、輸出功率可達到50mW。

另一家提供全二極管激光器的全彩色微型投影機模塊原型的廠商是日本Explay公司。該公司表示，其提供的模塊具有852×480的像素分辨率和14lm的亮度，能將圖像投影到20~200cm遠的地方。模塊的體積為7cm³，厚度為7mm。

Soraa公司已經(jīng)在開發(fā)商用的直接綠光和藍光半導體激光器方面取得快速進展，該公司業(yè)務開發(fā)副總裁Paul Rudy表示：“在綠光區(qū)域，我們已經(jīng)演示了520~525nm的單模激光器，大約具有2％的插入效率（WPE）和超過60mW的連續(xù)波輸出功率。在藍光波段，我們已經(jīng)演示了插入效率超過23％的單模激光器，輸出功率為750mW，預計其使用壽命為1萬小時。綠光激光器的使用壽命正在測試中，目前得到的結(jié)果也非常樂觀。”

 德國圖賓根大學的科學家們?yōu)槊と嘶颊邘�來了福音。他們已�?jīng)在盲人患者的視網(wǎng)膜后植入了一個光敏的微型光電二極管陣列（見圖6）。^[6]該陣列通過患者的眼睛的晶狀體接收光，并刺激視網(wǎng)膜細胞，進而產(chǎn)生一個分辨率為38×40像素的圖像。這項技術(shù)已經(jīng)使三位盲人能找到擺放在桌子上的物體。一位已經(jīng)失明多年的患者，已經(jīng)能識別出刀叉以及各種水果，并且還能閱讀較大的文字。

        圖6：在盲人患者的視網(wǎng)膜下植入微型光電二極管陣列，能讓患者重見光明。

 另外，中國南京東南大學國家重點實驗室成功地利用超材料創(chuàng)造了一個“電磁黑洞”，并模擬了微波頻段的電磁黑洞實驗，結(jié)果表明，電磁黑洞能夠全向捕捉電磁波，引導電磁波螺旋式地行進，直至被黑洞吸收。在微波頻段，黑洞對電磁波的吸收率可達到99%以上。微波頻段的實驗也驗證了普渡大學科學家提出的“光學黑洞”理論方案。這一新研究構(gòu)建了吸收電磁波的全新方法，同時又可以控制電磁波的吸收輻射。由于對電磁波的高效吸收性，電磁黑洞可望在電磁隱身等方面獲得重要應用。

 參考文獻
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6. E. Zrenner et al., Proc. Royal Society B, published online before print Nov. 3, 2010, doi: 10.1098/rspb.2010.1747.