2017年激光領域技術進展

　　【機床商務網欄目 機床上下游】我們都知道，除了在工業應用之外，激光技術在科研、生物醫療、通信等諸多領域都有廣泛應用，對于人類科技發展起到了巨大推動作用。在此為您梳理2017年激光領域技術進展(排名不計先后)：
 

　　一、科學家開發出世界光電子神經形態芯片
 

　　來自美國普林斯頓大學的科研團隊研制出了首枚硅光子神經形態芯片，并證明其能將運算速度提高近2000倍，有助于推動面部識別、對象識別、自然語言處理、機器翻譯等人工智能技術應用的發展。
 

　　科研團隊將這種新型芯片的每一個節點以微型圓形波導的形式蝕刻進一個硅基座內，使光可在其中循環。當光被輸入節點，就會調制在節點閾值處工作的激光器的輸出，而激光的輸出會被反饋回節點，從而創造出一個擁有非線性特征的反饋電路。關于這種非線性能模擬神經行為的程度，研究人員已證明其輸出在數學上等效于“連續時間遞歸神經網絡”。研究人員使用由49個光子節點組成的芯片網絡對神經網絡進行了模擬演示，并將其用于解決微分方程的數學問題，發現相較于普通的CPU，這種硅光子神經形態芯片能將運算速度提升1960倍。
 

　　二、世界強X射線激光制造出“迷你黑洞”
 

　　強的X射線激光對于探究物質內部結構及作用起到了重要作用，而各國科學家也在該領域探索更多未知領域。
 

　　堪薩斯州立大學的研究人員驚奇地發現，當他們用世界上強的X射線激光轟擊單個分子時，出現了一個“迷你黑洞”。這束強烈的激光從內到外摧毀了分子，只留下一個空洞，類似太空中的黑洞。研究人員希望，這一出乎意料的結果或許將推動病毒和細菌的整體成像技術發展，并幫助科學家開發新型藥物。
 

　　當用直線加速器相干光源(Linac Coherent Light Source，LCLS)照射分子時，在30飛秒(千萬億分之一秒)內，這個分子失去了超過50個電子，導致其發生爆炸。LCLS常用于生物學個體——包括病毒和細菌——的成像。研究人員希望通過這個分子黑洞的實驗結果，可以更好地利用這種激光，進行更多有價值的實驗。
 

　　三、激光使電子設備不再依賴半導體材料
 

　　相信大家都聽說過“摩爾定律”，其極大地推動了半導體工業的發展和進步，然而現在也將面臨著物理極限。面對這種困境，美國科學家們或許找到了B方案。
 

　　來自美國加州大學圣地亞哥分校科學家開發了一種新型微電子設備，未來PC中由半導體材料制造的處理器可能被取而代之。工程師開發了一種由光控制的微電子設備，其中包含由金納米管構成的超穎表面。受到激光照射后，超穎表面能產生高強度電場。
 

　　這種不采用半導體材料的新型微電子設備，或許將解決現代微處理器所面臨的一個難題。處理器依靠電子遷移正常運行，問題是，這些電子會不斷與原子碰撞，其中許多電子可能遷移不到它們的目的地——在處理器運行過程中，許多電子損耗了。
 

　　這種新型微電子設備通過“模仿”老式真空管——當然是在微尺度上，嘗試解決這一問題。設備中的蘑菇形狀納米管，在硅晶圓上形成超穎表面，兩者用二氧化硅層隔開。當施加低直流電壓、照射低能量紅外激光時，這一結構就能夠產生高強度電場，使電子能“自由”遷移。
 

　　四、新型激光寫入技術升級石墨烯結構
 

　　眾所周知，石墨烯可用于制造多種電子、光電器件，更有科學家預言石墨烯將“徹底改變21世紀”，有可能掀起一場席卷的顛覆性新技術新產業革命。
 

　　芬蘭于韋斯屈萊大學和中國臺灣的研究人員們共同發現能夠通過激光寫入技術改變石墨烯碳原子二維結構鍛造成三維物體，并且石墨烯三維結構物質具有強烈的穩定性，表現出與二維結構不同的電學和光學特性。該工藝應用類似于用激光束“錘子”將金屬鍛造成三維形態。 后通過實驗和計算機模擬，觀察了解石墨烯碳原子二維結構升級到三維形狀的真實性及其形成機制。
 

　　自然界中，結構決定性質，毫不例外石墨烯的結構特點決定了石墨烯具有薄且堅硬，透光度好，導熱性強，導電率高，結構穩定，電子遷移速度快等特性。業界認為，石墨烯在電子應用過程中，根據其層數一般可以分成單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯。因為石墨烯的優異性能會隨著層數的增加顯著下降，超過多層便不具備石墨烯材料的優異性能，在電子器件升級中也就失去了石墨烯的應用優勢。此次二維到三維結構的升級為石墨烯應用開拓了新的應用方向。
 

　　五、集成硅光工藝有望大規模制造III-V族/硅混合激光器
 

　　法國原子能委員會電子與信息技術實驗室利用新型硅光子工藝新研發的分布反饋式(DFB)激光器，結合了大規模集成電路技術，該分布式反饋(DFB)發射器的大輸出功率為4 mW，其邊模抑制比(SMSR)為50分貝。
 

　　在室溫下進行的連續電動測試中，該激光器件在1300nm的波長處產生高達4 mW的輸出功率，其中邊模抑制比為50dB表明了良好的光譜純度。雖然輸出功率隨施加的驅動電流的增加而變化，但激光閾值電流在50 mA至65 mA之間都是穩定的。
 

　　該混合激光器將完全CMOS兼容的200mm晶圓集成到混合III-V/Si分布反饋式激光器中，實驗采用創新的激光電觸點方法，沒有使用一體化剝離。研究團隊使用了局部硅增厚，在III-V材料增益部分下方制造了500nm厚的硅層。在使用深紫外(DUV)平版印刷術將布拉格光柵圖案化到增益區域下方的加厚硅波導區域中之后，承載混合裝置的關鍵元件的單個絕緣體上硅(SOI)和磷化銦(InP)與氧等離子體表面活化結合。本次利用晶圓制造工藝III-V族/硅混合激光器讓激光器技術實現大規模生產成為可能。
 

　　六、激光寫入成就微電子下一場革命
 

　　在硅光子應用中，進行3D激光寫入將可能大大改變硅光子學領域中設計和制備的方法。而硅光子學則被視為微電子學的下一場革命，影響著激光在芯片級別的終數據處理速度。
 

　　來自于法國、卡塔爾、俄羅斯和希臘的科學家在實驗中發現，飛秒激光器即使將激光能量提高到技術上的大脈沖強度在結構上仍然無法對體硅進行處理。不過，將飛秒激光器替換成超快激光時，在誘導體硅結構操作中沒有受到物理上的限制。他們還發現激光能量必須以快速的方式在介質中傳輸，以便使非線性吸收的損失小化。原來之前工作時遇到的問題源于激光器的小數值孔徑(NA)，也就是激光傳輸聚焦時可以投射的角度范圍。科研人員通過采用硅球作為固體浸入介質解決了數值孔徑問題。當將激光聚焦在球體的中心時，硅球完全抑制折射大大增加數值孔徑，從而解決了硅光子寫入問題，這一3D激光寫入技術的研發為微電子學打開了新世界的大門。
 

　　七、科學家突破光學顯微成像分辨率極限
 

　　美國科羅拉多州立大學科學家演示了一種空間分辨率達2η(η是非線性光強反應單位)的多光子—空間頻率調制成像(MP-SPIFI)技術，突破了光學顯微成像分辨率極限。
 

　　研究人員在發表于美國《國家科學院學報》的論文中證明，多光子熒光和二次同步諧波都能實現超分辨率，二者結合使用時，兩個光子被猝滅，發出一個兩倍頻率的光子。他們還開發了專門的多光子—空間頻率調制成像顯微鏡，以HeLa細胞和碲化鎘太陽能電池為樣本，通過熒光和二次諧波同時收集圖像信息，產生了納米級圖像，空間分辨率達到2η，超過傳統的多光子顯微鏡。
 

　　八、我國超強超短激光實驗裝置研制獲重大突破
 

　　上海超強超短激光實驗裝置(SULF)的研制工作取得重大突破，成功實現了10拍瓦激光放大輸出，達到同類研究的水平。研究人員解決了大口徑高增益激光放大器、高性能激光泵浦源、寬帶高階色散精密控制和增益窄化抑制等關鍵科學技術問題，上實現了300焦耳以上能量水平的寬帶(半高全寬達到70納米)激光放大輸出。
 

　　值得一提的是，其中10拍瓦激光主放大器采用的鈦寶石晶體直徑達235毫米，由上海光機所自主研制，這是我國研制成功并獲得激光放大的口徑超過200毫米的激光晶體，也是目前已知大口徑的激光放大晶體。
 

　　九、激光新技術使石墨烯工業化成為可能
 

　　石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料，然而其產業化一直是個難題。
 

　　西班牙AIMEN技術中心的研究人員，通過短激光脈沖誘導石墨烯的化學晶格發生變化。單個激光脈沖的持續時間僅有幾秒，石墨烯中的極性分子會像水波那樣產生一個持續的振蕩。研究人員發現，在振蕩過程中，可以通過切割石墨烯晶格，把外部分子或所需的化合物添加到石墨烯中。激光的光斑可以集中在一個邊長為1微米的正方形中或面積更小的區域，這樣就能高精度地控制整個添加過程。
 

　　在新技術工作過程中，大量的石墨烯可在高速度、高精度條件下被裁剪，這為石墨烯的廣泛應用開辟了新的途徑。運用這項技術，繪制微米大小的石墨烯的速度將超過每秒1米。
 

　　此外，這項技術還展現了通過調整激光的變化來控制熱量吸收的化學過程。在低能量輸出的條件下，多光子吸收在碳和大氣分子的化學反應之間起主導作用，從而賦予石墨烯新的光學特性，這也有助于通過改變石墨烯的光學潛力，使其更加功能化。
 

　　研究人員稱，這項技術在工業領域的表現還有待進一步驗證。目前的研究是基于工業生產的考慮，目的在于深入研究石墨烯在化學和物理變化中的可行性，同時嘗試用電子設備程序來控制其工業生產。
 

　　十、黑磷可用于新型激光器和光電子器件的制造
 

　　在激光器領域，除了不斷完善性能表現之外，研究人員也在材料及結構方面持續突破，以期開發更多類型新型激光器。劍橋研究人員發現了噴墨打印的突破性“配方”，可以實現下一代激光器和光電子技術的大批量生產。
 

　　由劍橋大學石墨烯中心Tawfique Hasan博士帶領的研究發現，黑磷(BP)油墨是一種與石墨烯相似的獨特二維材料，與傳統的噴墨打印技術相兼容，使其可能成為實現基于BP的激光器和光電子器件的可擴展大規模制造。
 

　　來自劍橋、倫敦帝國理工學院、芬蘭阿爾托大學、北京航空航天大學以及浙江大學的跨學科科學家團隊精心優化了BP的化學成分，以便通過復雜和競爭的流體效應的平衡來實現穩定的油墨。這樣一來，便能夠通過高速打印生產新的功能激光器和光電子器件。
 

　　(原標題：2017年激光領域技術進展)