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百兆赫兹重频的轨道角动量模式飞秒光纤激光器

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物理学报 2024年第1期73卷 181-192页

作者：吴航陈燎李帅杜禺璠张驰张新亮华中科技大学光学与电子信息学院武汉光电国家研究中心武汉430074

轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)模式激光器在大容量通信系统、激光加工、微粒子操作、量子光学领域研究有潜在应用价值.OAM模式飞秒光纤激光器具有结构简单、成本低、峰值功率高等优势而被重点研究.当前OAM模式飞秒光纤激光... 详细信息

轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)模式激光器在大容量通信系统、激光加工、微粒子操作、量子光学领域研究有潜在应用价值.OAM模式飞秒光纤激光器具有结构简单、成本低、峰值功率高等优势而被重点研究.当前OAM模式飞秒光纤激光器在重复频率、脉冲宽度、光谱宽度等关键参数上分别都有突破,但性能难以兼得,且重复频率目前在数十MHz.本文基于模式相位匹配原理,制作了大带宽的模式耦合器,结合非线性偏振旋转锁模机理,通过优化腔内的色散,搭建了百兆赫兹重复频率的OAM模式飞秒光纤激光器.实验结果表明,一阶OAM模式光纤激光器的重复频率可达113.6 MHz,脉冲半高全宽98 fs,10 d B带宽可达101 nm;二阶OAM模式光纤激光器的重复频率可达114.9 MHz,脉冲半高全宽60 fs,10 d B带宽可达100 nm.相对于已报道的方案,本文报道的方案在重复频率、脉宽和光谱宽度等关键参数上综合性能较好,有望更广泛地应用于OAM通信、粒子操控等研究领域.

关键词：光纤锁模激光器轨道角动量模式耦合器

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基于波前调控的激光超声显微成像技术及其应用（特邀）

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光学学报 2024年第10期 336-345页

作者：乔杰冯甫黄子嫣胡斌李江艳马海祥霍德旺袁小聪之江实验室前沿基础研究中心深圳大学微纳光电子学研究院

为了研究镍基高温合金声学表面波（SAW）的传播速度与晶向之间的关系，介绍了一种基于波前调控的新型激光超声技术。该技术采用光栅将激发光调制成周期排列的线性光源，从而在样品表面激发出具有特定波长且定向传播的SAW。通过对SAW传... 详细信息

为了研究镍基高温合金声学表面波（SAW）的传播速度与晶向之间的关系，介绍了一种基于波前调控的新型激光超声技术。该技术采用光栅将激发光调制成周期排列的线性光源，从而在样品表面激发出具有特定波长且定向传播的SAW。通过对SAW传播速度的提取实现样品各向异性的分析。结合数值仿真与实验验证，实现了单晶镍基高温合金SAW速度的定量检测与各向异性分析。提出了基于波前调控的激光超声有限元数值仿真模型，通过数值仿真得到单晶镍基高温合金在（100）晶面和（001）晶面内的SAW速度各向异性比分别为0.073和0.18。基于镍基高温合金声速对晶向的依赖性，采用激光超声显微成像系统对单晶以及多晶镍基高温合金表面声速进行扫描成像，实现了表面缺陷以及晶粒分布状态的可视化分析。研究结果表明基于波前调控的激光超声显微成像技术为特种金属缺陷以及声速检测提供了一种新型快速的无损检测手段。

关键词：成像系统镍基高温合金声学表面波激光超声波前调控声速各向异性

硅基热电子短波红外探测技术(封面文章·特邀)

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红外与激光工程 2024年第4期53卷 1-22页

作者：文鑫皓贾瑀于乐泳邵丽陈惠霞朝杰汤林龙史浩飞重庆邮电大学光电工程学院重庆400065 中国科学院重庆绿色智能技术研究院微纳制造与系统集成研究中心重庆400714

短波红外具有穿透烟雾的特性,可在低光照环境或恶劣天气条件下成像,在军事、安防、环境监测等多个领域展现出重要应用价值。硅基热电子短波红外探测技术因具备与CMOS半导体工艺兼容、响应波段灵活可调等独特优势,已成为当前研究的热点... 详细信息

短波红外具有穿透烟雾的特性,可在低光照环境或恶劣天气条件下成像,在军事、安防、环境监测等多个领域展现出重要应用价值。硅基热电子短波红外探测技术因具备与CMOS半导体工艺兼容、响应波段灵活可调等独特优势,已成为当前研究的热点。文中系统地回顾了该领域的国内外研究进展,剖析了与光电转换效率密切相关的热电子产生、传输与注入等物理过程中的能量损耗机制。在此基础上,总结了针对性的改进策略,包括通过光学吸收增强和热损耗抑制来增加热电子的产生效率;通过精确调控热电子的初始位置、能量、动量分布及自由程来优化其传输过程;以及利用肖特基结和界面调控等技术来提高热电子的注入概率。此外,文中还讨论了暗电流的抑制方法,以期提升探测器的整体性能。最后,展望了硅基热电子红外光电探测器未来的发展方向。

关键词：短波红外热电子探测器肖特基结

基于遗传算法的太赫兹多功能可重构狄拉克半金属编码超表面

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物理学报 2024年第14期73卷 107-120页

作者：栾迦淇张亚杰陈羽郜定山李培丽李嘉琦李佳琪南京邮电大学电子与光学工程学院南京210023 华中科技大学武汉光电国家研究中心武汉430074

多功能可重构超表面能够满足对器件小型化、集成化、适用于多场景应用的需求,是近几年的研究热点之一.本文采用狄拉克半金属作为可控材料,提出了一种太赫兹多功能可重构编码超表面.首先设计了一种顶部由狄拉克半金属材料构成的“回”字... 详细信息

多功能可重构超表面能够满足对器件小型化、集成化、适用于多场景应用的需求,是近几年的研究热点之一.本文采用狄拉克半金属作为可控材料,提出了一种太赫兹多功能可重构编码超表面.首先设计了一种顶部由狄拉克半金属材料构成的“回”字形结构的三层太赫兹编码超表面单元,利用外加偏置电压动态调节狄拉克半金属介电常数,使超表面单元在1.95 THz处实现2 bit编码.然后基于设计的编码超表面单元结构,利用遗传算法对编码超表面的阵列排布进行逆向设计,从而实现波束赋形、涡旋波束产生及雷达散射截面缩减等功能.研究结果表明,针对波束赋形,在1.95 THz处可以实现俯仰角在40°范围内、方位角在360°范围内任意角度的单波束与多波束反射,并且多波束中的各个波束的俯仰角和方位角都可以单独调控,提高了对太赫兹波束调控的灵活性;针对涡旋波束,可以产生拓扑电荷数为l=±1,l=±2的单涡旋波束,并且可以实现俯仰角在30°范围内、方位角在360°范围内任意角度的单涡旋波束与多涡旋波束调控;此外,在1.72—2.51 THz范围内可以实现大于10 dB的雷达散射截面缩减.因此,提出的狄拉克半金属编码超表面可以实现多种功能,且性能优良,在通信网络、天线和雷达系统等领域具有一定的应用前景.

关键词：狄拉克半金属遗传算法编码超表面多功能可重构

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超构表面:设计原理与应用挑战(特邀)

中国激光 2024年第1期51卷 259-279页

作者：马耀光高宇斌浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室光电科学与工程学院先进光子学研究中心嘉兴研究院智能光子研究中心浙江大学杭州国际科创中心浙江杭州310027

作为一种二维形式的超构材料,超构表面允许以前所未有的自由度对光的振幅、相位、偏振等维度进行灵活高效的调控,有望突破传统光学的限制,实现低成本、高性能、超轻超薄、功能新颖的新型光学元件,近年来引起了学术界和产业界越来越浓厚... 详细信息

作为一种二维形式的超构材料,超构表面允许以前所未有的自由度对光的振幅、相位、偏振等维度进行灵活高效的调控,有望突破传统光学的限制,实现低成本、高性能、超轻超薄、功能新颖的新型光学元件,近年来引起了学术界和产业界越来越浓厚的研究兴趣。从物理机理、相位调控到正向设计方法,系统回顾了超构表面的设计原理。介绍了这些机理如何用于实现丰富的应用,包括功能复用、宽带宽、大视场、多层级联、非局域超构表面等,涵盖了最主要和最新的发展方向。最后,讨论了超构表面在走向实用化的道路上所面临的器件设计和加工制造上的挑战,并对领域未来的发展进行展望。

关键词：材料超构表面超构透镜成像光学全息复用消色差成像

基于波前调控的激光超声显微成像技术及其应用

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光学学报 2024年

作者：乔杰冯甫黄子嫣胡斌李江艳马海祥霍德旺袁小聪微纳光电子学研究院深圳大学类人感知研究中心智能感知研究院之江实验室

镍基高温合金凭借其优异的热阻特性、耐腐蚀性以及抗蠕变性成为当今高性能航空发动机涡轮叶片的关键材料，其力学各向异性的研究对涡轮叶片机械性能与飞行安全至关重要。通过对声学表面波（SAW）传播速度的精确测量，进而实现材料力学... 详细信息

镍基高温合金凭借其优异的热阻特性、耐腐蚀性以及抗蠕变性成为当今高性能航空发动机涡轮叶片的关键材料，其力学各向异性的研究对涡轮叶片机械性能与飞行安全至关重要。通过对声学表面波（SAW）传播速度的精确测量，进而实现材料力学性能的分析是目前无损检测领域研究的重点方向之一。为了研究镍基高温合金SAW速度与晶向之间的关系，本文介绍了一种基于波前调控的新型激光超声技术。该技术采用光栅将激发光调制成周期排列的线性光源，从而在样品表面激发出具有特定波长且定向传播的SAW。通过对SAW传播速度的提取实现样品各向异性的分析。结合数值仿真与实验验证，实现了单晶镍基高温合金SAW速度的定量检测与各向异性分析。提出了基于波前调控的激光超声有限元数值仿真模型，通过数值仿真得到单晶镍基高温合金在（100）晶面和（001）晶面内的SAW速度各向异性比分别为0.073和0.18。基于镍基高温合金声速对晶向的依赖性，采用激光超声显微成像系统对单晶以及多晶镍基高温合金表面声速进行扫描成像，实现了表面缺陷以及晶粒分布状态的可视化分析。研究结果表明基于波前调控的激光超声显微成像技术为特种金属缺陷以及声速检测提供了一种新型快速的无损检测手段。

关键词：镍基高温合金声学表面波激光超声波前调控声速各向异性

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极紫外光刻照明系统光瞳整形技术研究

中国激光 2024年第12期51卷 369-381页

作者：王鑫李中梁袁春晓中国科学院上海光学精密机械研究所高端光电装备部先进光源与系统研发中心上海201800 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

照明系统是极紫外(EUV)光刻机的核心分系统,其主要作用是在掩模面实现均匀照明并在光瞳面实现多种照明模式。EUV光刻照明系统采用柯勒照明,并基于反射式双复眼镜的光瞳整形技术实现多种照明模式,如何获得双复眼镜的对位关系是实现光瞳... 详细信息

照明系统是极紫外(EUV)光刻机的核心分系统,其主要作用是在掩模面实现均匀照明并在光瞳面实现多种照明模式。EUV光刻照明系统采用柯勒照明,并基于反射式双复眼镜的光瞳整形技术实现多种照明模式,如何获得双复眼镜的对位关系是实现光瞳整形的核心问题。针对该问题开展光瞳整形技术研究,提出一种可快速获得复眼对位关系的算法。首先利用基于回溯法和禁忌搜索思想的复眼分组算法减小复眼对位复杂度,之后采用改进人工蜂群算法(IABC)进行复眼匹配,可快速得到满足掩模照明均匀性的匹配结果,通过复眼分组和匹配可得到不同照明模式的复眼对位关系。为了验证本文算法的有效性,在LightTools中进行建模和仿真,结果表明,该算法可在光瞳面实现多种照明模式并在掩模(共轭面)处实现高均匀性照明。

关键词：极紫外光刻反射式双复眼镜光瞳整形人工蜂群算法照明均匀性

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光束质量对铝合金激光焊接效率与良率的影响

中国激光 2024年第12期51卷 3-11页

作者：张帅刘同争徐志宏代小光朱朝晖高明郭少锋湖南大科激光有限公司湖南湘阴414615 华中科技大学武汉光电国家研究中心湖北武汉430074

为了满足当前新能源动力电池高速生产线极限制造的需求,基于激光焊接过程中的能量分布特征,系统分析了铝合金激光焊接中光纤激光器的光束质量效应,研究了光束质量与焊接稳定性和焊接效率之间的定量关系。随着激光器光束质量因子(M^(2))... 详细信息

为了满足当前新能源动力电池高速生产线极限制造的需求,基于激光焊接过程中的能量分布特征,系统分析了铝合金激光焊接中光纤激光器的光束质量效应,研究了光束质量与焊接稳定性和焊接效率之间的定量关系。随着激光器光束质量因子(M^(2))的减小,焊缝熔深为2.7 mm时焊接速度呈增大趋势,焊接熔深的工序能力指数(CPK)值也呈增大趋势;当M^(2)从11.60减小到1.25时,焊缝熔深为2.7 mm时激光器的焊接速度增加了5.5倍,焊接熔深CPK值提升了2.3倍。基于激光能量分布特征的分析结果,激光器光束质量效应的提升机制为:在保持相同熔深的条件下,M^(2)越小,能量密度极大值越大,且焊道边缘与中间区域之间的能量密度极值差越大,工件材料的能量吸收效率会越高,则激光器的焊接效率越高。提出将激光器能量密度极大值和能量密度极值差这两者的乘积作为激光器能量密度焊接效率影响因子,由理论计算可知,M^(2)为1.18时的激光器能量密度焊接效率影响因子比M^(2)为11.6时的增加了5.2倍,与实验结果基本一致。

关键词：激光技术激光焊接光束质量能量分布铝合金

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微柱镜面周期性纹理结构衍射杂散光研究

中国激光 2024年第5期51卷 245-250页

作者：孙昊唐乐王春艳张为国杜春雷夏良平长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 长江师范学院微纳光电器件与智能感知系统重点实验室重庆408100 中国科学院重庆绿色智能技术研究院微纳制造与系统集成研究中心重庆400714 珠海迈时光电科技有限公司广东珠海519060

为分析车床加工百微米级口径微柱透镜时遗留周期性刀纹产生的杂散光影响,构建了周期结构模型,分析了表面周期性纹理结构对衍射杂散光的影响。利用傅里叶光学理论建立了该结构的衍射理论模型,计算了在不同深度下的衍射光场强度分布规律,... 详细信息

为分析车床加工百微米级口径微柱透镜时遗留周期性刀纹产生的杂散光影响,构建了周期结构模型,分析了表面周期性纹理结构对衍射杂散光的影响。利用傅里叶光学理论建立了该结构的衍射理论模型,计算了在不同深度下的衍射光场强度分布规律,所获得的理论结果与商业光学软件VirtualLab的物理光学仿真和实验测试结果基本一致,实现了对理论模型的理论与实验验证,为进一步解决该类光学器件中周期性加工刀纹产生的衍射杂散光问题提供了理论依据,对微柱透镜的高精度加工具有指导意义。

关键词：衍射周期性纹理微柱透镜傅里叶光学杂散光