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2010年光电子行业技术发展回顾

导读: 光之所以在生产生活中如此有用,其中一个重要因素是其拥有较短的波长——其能够实现清晰的图像、超高速通信,在某些情况下还能实现紧凑的硬件。

 

  波长尺度的光子学

  光之所以在生产生活中如此有用,其中一个重要因素是其拥有较短的波长——其能够实现清晰的图像、超高速通信,在某些情况下还能实现紧凑的硬件。越来越多的光子器件正在更加深入地利用光的波长特性,将器件的物理结构尺寸从几个波长量级缩小到了亚波长量级。

  电影《哈利·波特》中出现的隐身斗篷将不再是科幻。德国卡尔斯鲁厄理工学院和英国伦敦帝国学院的科学家们,已经制成了一种超材料隐身斗篷,并能在三维空间实现隐身。在此之前,隐身斗篷只能在二维空间实现隐身(见图1)。[1]利用激光光刻技术,研究人员创建了一个三维“木堆” (Woodpile)结构的聚合物/空气光子晶体,具有定制的填充率,用这个光子晶体隐藏一个金反射物(尽管这种斗篷听起来并不是非常有用,但是其与其他波长尺度的结构相结合时,则会变成一种有用的工具)中的凸起。这种隐身斗篷之所以引发了业界的兴趣,是因为它能在一个非常大的非偏振光带宽(1.4~ 2.7μm)范围内实现隐身。

 

  图1:在一个暗场成像中,金凸起是可见的(a);3D隐形斗篷隐藏了金凸起(b)。在明场成像的情况下也能得到类似的结果。

  瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员研制出了亚波长微腔激光器。该激光器的谐振腔由两个半径为10μm的半圆形金电容构成,两个电容由一个10μm长的链环连接,作为感应器。实际上,他们是用共振电路代替了光学振荡器。这种方法实现了比以往任何电泵浦的微腔激光器都小的有效模式体积。激光器的量子级联增益区的厚度为8μm,输出波长为207μm。研究人员表示,未来这种激光器还有望实现更小的模式体积,并且能够在近红外区域实现输出。

  市场对发射暖白光的LED的需求日趋旺盛,但是暖白光LED的发光效率要低于冷白光LED。土耳其比尔肯特大学和新加坡南洋理工大学联合开发出了一种具有纳米晶体量子点(QD)荧光体的暖白光LED,其发光效率要高于之前最好的暖白光荧光体。量子点具有一个硒化镉核心和一个涂有长链胺帽的硫化锌外壳,能发射绿光、黄光和橙光。将量子点与标准的氮化镓基蓝光LED集成,结果将会产生一个显色指数约为90、色温低于3000K的光。量子点本身具有创纪录的发光效率,其值超过350lm/W(该值是针对荧光体而非整个LED)。
 
  用光照射一个具有适当结构的表面,可以成为表面等离子体,即金属表面上电子的相干振荡,这为控制光提供了一种新方法。为了提高有机光伏电池的性能,美国利哈伊大学、中科院、清华大学和美国国家科学基金会的研究人员,已经设计并模拟了一个不受偏振影响的纳米结构表面,并具有排列着纳米孔的银激活层,其能支持短距离表面等离子体电磁极化模式。[2]这种方法能将光伏电池的性能提高39%~112%。

   让光工作

  2010年光子学领域取得了很多喜人的进展,尽管很多发展尚处于早期阶段,但这似乎并不能阻止未来它们被广泛应用的步伐。

  相比于使用长脉冲或连续波激光器的微机械加工,飞秒激光微加工具有诸多优势:飞秒激光微加工能够分裂化学键,而不是溶化或蒸发物质,从而对周围物质产生的破坏性很小,并且能加工透明材料。飞秒激光加工通常使用的都是高斯光束,但是法国弗朗什孔泰大学和澳大利亚麦考瑞大学的研究人员却一直在使用贝塞尔光束。他们能够在玻璃中加工锥度自由的微通道,纵横比高达40,直径小至2μm(见图2)。研究人员表示他们还能获得更好的结果,[3]并指出,这种方法还能加工出直径200nm的纳米结构。

 

  图2:由飞秒贝塞尔激光束在玻璃中加工的微通道长度(a)和形态(b),作为每个脉冲能量的函数被显示出来。

  美国开发出了一种能够识别痕量爆炸物的激光跟踪系统,其能在150米远的距离处识别TNT炸药,信噪比可高达70。[4]该系统用一台可调谐CO2激光器的输光照射潜在的可疑物品,进而明确判断出可疑物品中是否含有TNT。目前,研究人员已经开发出了该检测系统的原型,测试结果表明,与目前使用的爆炸物检测技术相比,该检测系统的灵敏度要高出好几个数量级。使用一台输出相同波长的高功率、室温下可调谐的量子级联激光器,可以制成一台通过屏幕检查过往人流以及他们携带的物品中是否含有爆炸物和爆炸残留物的系统,这种系统将在机场安检中非常有用。

  基于光纤的超连续光源,能够提供对光谱学、显微镜和光学测量非常有价值的单横模白光。英国南安普敦大学和印度中央玻璃与陶瓷研究所的科学家们,共同建立了一台由主振荡器功率放大器泵浦的超连续光源,其在0.4 ~ 2.25μm的波长范围内,产生了有史以来最高的平均功率(39W)。[5]该光源使用一根长2米、纤芯直径4.4μm的PC光纤,承受脉宽21ps、重复频率为114.8MHz的输入脉冲。研究人员表示,如果使用一个光纤堵头的话,还能使用更短的光纤,以降低吸收损耗。

  美国加州理工学院开发出了一种新型显微镜——全息扫描显微镜,其不但能大幅增加视场,同时还能保持较高的分辨率(见图3)。它用一个200点×40点的光斑网格照射样品,产生一个6mm×5mm的视场,并能在2.5秒内捕获所有的图像。照射光源的波长为532nm,光斑尺寸为0.74μm。全息扫描显微镜的用途包括数字病理学(显微镜载片被成像和数字化)、直接成像,以及血液或宫颈抹片检查(广泛的视场有助于疾病诊断)。

 

  图3:全息扫描显微镜下显示的一个空军目标(a,b)和百合花粉囊(c,d)的图像,有效视场为6mm×5mm。b、d显示的是放大了的细部图像。

   硅光致发光成像技术的发展,已经能够加速太阳能电池的检测。澳大利亚新南威尔士大学开发出的这项成像技术,目前正被太阳能电池制造商广为采用。该技术可用来检测硅砖块(240mm×15.6mm)、原切割晶圆(as-cut wafer)以及完全处理过的太阳能电池。该技术拥有非常快的成像速度:能以每小时2400片的速度扫描晶圆。该技术将有望用于光伏制造领域的联机监视,未来还有可能用于半导体及LED产业中。

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