1 福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350000
2 清华大学 物理系，北京 100084
光电探测器在许多应用中发挥着关键作用，例如遥感、夜视、侦察、医学成像、热成像和化学检测。随着光电探测任务的逐渐复杂化，工作在不同波段的光电探测器逐渐被集成用于对同一场景的宽光谱探测。受限于集成系统的体积和任务模块，常规的宽谱探测任务往往需要多个不同波段的探测器协同工作，极大增加了系统复杂度，因此具有超宽带探测（紫外-可见-红外-太赫兹）能力的光电探测器逐渐成为国际研究的前沿热点。但是迄今为止，有关超宽带光电探测器的综述还没有见诸报道。因此，本文系统整理了超宽带光电探测器在过去十年的研究进展。文章首先介绍了衡量光电探测器响应性能的指标以及常见光电探测器的主要类型，在此基础上重点回顾了不同类型超宽带光电探测器的研究进展、发展现状、面临的挑战，并展望了未来的研究方向。
超宽带 光电探测器 响应机理 器件类型 ultra-broadband photodetector response performance device type
1 华南理工大学 材料科学与工程学院 发光材料与器件国家重点实验室， 广东 广州 510641
2 浙江大学 光电科学与工程学院 现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 210027
自诺贝尔奖获得者高锟提出可用玻璃光纤代替传统电缆传输线，利用光波导传输光信号的方法来实现信息传输以来，人们就一直致力于优化现有光纤的性能和探索新的光纤激光介质材料。目前，用于光通信系统的光纤激光器和光放大器的增益光纤多见于稀土离子掺杂玻璃光纤，然而稀土离子固有的f-f跃迁导致较窄的传输带宽已经无法满足日益剧增的网络数据传输需求。铋（Bi）离子是继过渡金属离子、稀土离子后的第三类激活离子, 是激光材料领域发展的新方向。目前，Bi掺杂玻璃光纤已经在1150~1550 nm和1600~1800 nm范围内实现了激光输出和光信号放大。这充分说明了Bi掺杂玻璃光纤有望解决现有数据传输能力不足的问题，成为新一代光纤激光器和放大器的增益材料。因此，文中主要介绍Bi掺杂玻璃和光纤的研究进展，分析Bi掺杂玻璃及光纤材料目前存在的问题，并展望了未来的研究方向。
超宽带 红外发光 Bi掺杂玻璃 Bi掺杂光纤 ultra-broadband infrared luminescence Bi-doped glass Bi-doped fiber 红外与激光工程
2023, 52(5): 20230097
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of High Field Laser Physics and CAS Center for Excellence in Ultra-intense Laser Science, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics (SIOM), Chinese Academy of Sciences (CAS), Shanghai, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
We demonstrate an ultra-broadband high temporal contrast infrared laser source based on cascaded optical parametric amplification, hollow-core fiber (HCF) and second harmonic generation processes. In this setup, the spectrum of an approximately 1.8 μm laser pulse has near 1 μm full bandwidth by employing an argon gas-filled HCF. Subsequently, after frequency doubling with cascaded crystals and dispersion compensation by a fused silica wedge pair, 9.6 fs (~3 cycles) and 150 μJ pulses centered at 910 nm with full bandwidth of over 300 nm can be generated. The energy stability of the output laser pulse is excellent with 0.8% (root mean square) over 20 min, and the temporal contrast is >1012 at –10 ps before the main pulse. The excellent temporal and spatial characteristics and stability make this laser able to be used as a good seed source for ultra-intense and ultrafast laser systems.
few-cycle laser high temporal contrast ultra-broadband ultrafast laser High Power Laser Science and Engineering
2023, 11(1): 010000e5
国防科技大学电子科学学院电子科学系，湖南 长沙 410073
Rydberg原子具有极大的极化率和跃迁偶极矩，利用谐振区的Autler-Townes分裂效应和非谐振区的交流斯塔克（AC Stark）偏移效应，可以实现超宽带电磁信号无损可溯源的精密测量与通信。在室温铯原子气室中，通过改变耦合光波长，选用、和三个不同的Rydberg能级，分别测量了远失谐区（2 GHz）和谐振区（9.953 GHz和29.54 GHz）电磁信号的空间电场强度，并由此计算出环境散射和气室扰动所产生的衰减因子。同时，实验展示了Rydberg原子在宽带频率范围内的通信应用潜力，研究了远失谐区（2 GHz）、近失谐区（9.5 GHz）和谐振区（29.54 GHz）电磁信号在不同调制频率下幅度调制和频率调制的信噪比（SNR），并在此基础上，测量了调制频率为10 kHz的幅度调制信号在100 kHz~40 GHz超宽带频率范围内的解调信号SNR。实验结果表明，Rydberg原子可以突破传统电子学传感器的工作带宽限制，在超宽带连续频谱范围内具有电场感知与通信能力。
传感器 Rydberg原子 超宽带 电场测量 通信 光学学报
2022, 42(15): 1528002
1 淮南师范学院电子工程学院，安徽 淮南 232038
2 华东交通大学信息工程学院，江西 南昌 330013
基于阻抗匹配理论与组合谐振结构特性，设计了一种超宽带超材料太阳能吸收器。该吸收器由栅格结构与金属/介质/金属堆叠结构组合而成，组合结构有效拓展了吸收带宽。采用时域有限差分法分析了吸收器的吸收特性，结果表明：该吸收器在300～4000 nm波段内的平均吸收率可达94.9%，吸收带宽为3700 nm，可有效覆盖可见光与红外光波段。该吸收器在整个吸收波段范围内具有一定的偏振独立特性，以60°广角斜入射时，平均吸收率仍可达到93%。谐振频点处的电磁场分布表明，该吸收器的超宽带高吸收特性主要归因于表面等离子体共振、局域表面等离子体共振、慢波效应、法布里-珀罗共振，以及共振模式间的杂化耦合作用。所提超宽带高吸收太阳能吸收器在许多超材料领域具有潜在的应用价值。
材料 超材料 太阳能吸收器 高吸收率 超宽带
北京交通大学 光电技术研究所 发光与光信息教育部重点实验室, 北京 100044
提出了一种顶锥壳阵列超宽带全向超材料吸收器, 研究了圆顶锥壳的几何参数、顶部的几何形状以及不同密排方式对宽带吸收的影响。研究了包覆金属薄膜的圆顶锥壳阵列在太阳辐射能谱区的超宽带吸收特性, 结果显示在250~2500nm范围内的平均吸收率达到95.39%。在0°~65°的大角度入射下, 对于TE和TM偏振的平均吸收率分别为92.7%和94.59%, 表明所提出的结构具有偏振无关和入射角不敏感性。空气质量1.5加权平均吸收率为95.24%, 证明能够有效地吸收地球上的太阳辐射。通过结合胶体球光刻技术和表面镀膜成功制备了所提出的吸收器, 初步测试结果表明, 其吸收性能存在提升空间。
超材料 超宽带太阳能吸收器 有限时域差分方法 胶体球光刻 原子层沉积 metamaterial ultra-broadband solar absorbers FDTD colloidal lithography ALD
北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室, 北京 100044
提出了一个新型水基宽带超材料吸波结构,利用水在微波波段优异的电磁特性,使该结构对于入射电磁波的吸收率在8.2~78.32 GHz频段内始终保持90%以上。当电磁波的入射角度变化时,吸波器仍然具有优异的吸收性能,尤其是在横磁模式下,即使入射角度达到70°时吸收率基本仍能全部保持在90%以上;由于设计的吸波器为完全的中心对称结构,因此极化角度对其吸收特性的影响十分微弱;调整温度在0~100 ℃范围内变化时,该吸波器在整个仿真频段内几乎始终保持90%以上的高吸收率。所提出的吸波结构不仅具有宽带高吸收率特性,且具有广角入射、极化无关以及热稳定的优异性能。该吸波结构可通过3D打印技术进行制备,大大降低了制作的复杂度和成本,对于新型宽带介质吸波器的应用和发展具有十分重要的作用。
材料 超材料 超宽带 吸波器 广角 热稳定 中国激光
2021, 48(16): 1613002
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
提出一种基于维纳-辛钦定理计算光学相干层析成像(OCT)系统轴向分辨率δz的通用方法:对光源的功率谱密度分布进行傅里叶逆变换,得到其自相干函数,由其半峰全宽值来获得δz。利用该方法计算了高斯和非高斯分布光谱光源OCT系统的δz,通过与厂商给出的产品标称值相比较,验证了本方法对于高斯和非高斯分布光谱光源的正确性。以超宽带白光光源为例,使用滤光片滤除边缘部分光谱后形成非高斯分布光谱,搭建实验系统,实测δz,所得结果与本方法的计算结果较为接近,实验验证了本方法的正确性。本方法对于非高斯分布光谱光源OCT系统δz的计算结果,能为系统设计时的参数考虑与器件选择等提供依据。
成像系统 光学相干层析成像 非高斯分布光谱 轴向分辨率 光谱滤波 超宽带光源
Author Affiliations
Abstract
1 GoLP/Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Tecnico, Universidade de Lisboa, 1049-001 Lisboa, Portugal
2 Central Laser Facility, Science and Technology Facilities Council, Rutherford Appleton Laboratory, Harwell Science and Innovation Campus, Didcot, UK
3 INFN-LNF, Via Enrico Fermi 54, 00044Frascati, Italy
4 School of Engineering and Physical Sciences, Heriot-Watt University, Edinburgh, UK
A petawatt facility fully based on noncollinear optical parametric chirped pulse amplification (NOPCPA) technology, Vulcan OPPEL (Vulcan OPCPA PEtawatt Laser), is presented. This system will be coupled with the existing hybrid-CPA/OPCPA VULCAN laser system (500 J, 500 fs beamline; 250 J, ns regime beamline) based on Nd:glass amplification. Its pulse duration (20 times shorter) combined with the system design will allow the auxiliary beamline and its secondary sources to be used as probe beams for longer pulses and their interactions with targets. The newly designed system will be mainly dedicated to electron beam generation, but could also be used to perform a variety of particle acceleration and optical radiation detection experimental campaigns. In this communication, we present the entire beamline design discussing the technology choices and the design supported by extensive simulations for each system section. Finally, we present experimental results and details of our commissioned NOPCPA picosecond front end, delivering 1.5 mJ, ~180 nm (1/e2) of bandwidth compressed to sub-15 fs.
high-power laser LBO nonlinear crystal nonlinear optics ultra-broadband OPA ultrafast laser High Power Laser Science and Engineering
2020, 8(4): 04000e31
Author Affiliations
Abstract
1 GoLP/Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Tecnico, Universidade de Lisboa, 1049-001 Lisboa, Portugal
2 Central Laser Facility, Science and Technology Facilities Council, Rutherford Appleton Laboratory, Harwell Science and Innovation Campus, Didcot, UK
3 INFN-LNF, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
We evaluate and demonstrate ultra-broadband near-infrared noncollinear optical parametric amplification in two nonlinear crystals, bismuth borate (BiBO) and yttrium calcium oxyborate (YCOB), which are not commonly used for this application. The spectral bandwidth is of the microjoule level; the amplified signal is ≥ 200 nm, capable of supporting sub-10 fs pulses. These results, supported by numerical simulations, show that these crystals have a great potential as nonlinear media in both low-energy, few-cycle systems and high peak power amplifiers for terawatt to petawatt systems based on noncollinear optical parametric chirped pulse amplification (NOPCPA) or a hybrid.
ultrafast laser high power laser nonlinear optics ultra-broadband noncollinear OPA YCOB and BiBO nonlinear crystal High Power Laser Science and Engineering
2020, 8(3): 03000e29
