光学成像技术揭开珍珠的秘密
科技动态
光学成像技术揭开珍珠的秘密
光学成像技术揭开珍珠的秘密 几个世纪以来,珍珠母贝(也称为珍珠母)一直被用作珠宝盒、精致纽扣等贵重物品的装饰元素。这种材料一般存在于一些软体动物的壳中,因其绚丽夺目的色彩、坚硬无比的强度而备受珍视。然而,现有的检测方法需要切割样本来进行分析,因此珍珠母贝结构的检测仍然存在一些困难。如今,美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员发明了一种新的全光学成像技术,能够实现无损检测珍珠母贝和其他层状生物材料的结构(文章见:美国科学院院报, doi: 10.1073/ PNAS .2023623118)。 图1 珍珠母贝具有极强的抗断裂能力,因此研究人员一直在试图寻找一种无损测量其厚度的技术 活生生的历史记录Pupa Gilbert是威斯康星大学麦迪逊分校的物理学教授,她在十余年的时间中,一直在研究珍珠母贝的结构及其可能的形成机制。此前,Gilbert发现,如同树木年轮般一层层形成的古代珍珠母贝,准确记录了当地海洋的温度:2亿年前的化石样本表明,较厚珍珠母贝层对应较暖的年份。此类实验需要对每层壳层的横截面进行检测,并用扫描电子显微镜观察各层。这种方法会破坏样品,且由于不同区域的珍珠层通常不均匀,因此很难对大面积的珍珠母贝进行检测。 无损光学成像在一次研讨会上,Gilbert询问威斯康辛大学麦迪逊分校电子计算机工程副教授Mikhail Kats,是否能够发明一种不会损坏样品的全光学成像技术。为此,Kats及其同事开发了高光谱干涉断层扫描技术(hyperspectral interference tomography, HIT)——一种快速、以非破坏性的方式检测珍珠母贝空间结构的成像技术。“此项技术基于高光谱成像,图像上的每个像素都包含可见和近红外的全反射光谱,”Kats说。“首先对贝壳进行角度、偏振相关的高光谱测量,然后将结果映射到计算模型中,预测可能的珍珠母贝结构反射光谱。”从光学角度来看,珍珠母贝可以看作是一种无序、有缺陷的薄膜的堆叠,因此研究人员采用了薄膜建模与Monte Carlo技术相结合的无序模型。借助HIT技术,研究人员发现了此前未发现的软体动物年龄与构成珍珠母贝的文石片厚度之间的关系:与年龄大的鲍鱼相比,年龄小的鲍鱼形成的文石片更厚。 未来的应用总的来说,与现有的技术相比,HIT在层状生物材料的结构表征方面具有以下几个主要优势:除了不造成损伤外,这种技术非常快速、成本低、便携。Kats及其同事们期待能与Gilbert一起,对珍珠母贝进行更多的研究,以期为气候变化史提供更全面的资料。他们还认为,对其结构的进一步研究将启发韧性更强材料的研究。“长期以来,珍珠母贝一直是力学研究的焦点,因为它比自身的主要成分——文石,具有更强的抗断裂特性。”Kats说,“因此,进一步了解珍珠母贝的形成及其物理特性是非常重要的。”原文链接 本文受译者委托,享有该文的专有出版权,其他出版单位或网站如需转载,请与本站联系,联系email:mail#opticsjournal.net。(为防止垃圾邮件,请将#换为@)否则,本站将保留进一步采取法律手段的权利。
2021-04-14
中科院上海技物所黄志明等AM:紫外至太赫兹波段二维材料光电探测器
科技动态
中科院上海技物所黄志明等AM:紫外至太赫兹波段二维材料光电探测器
2004年石墨烯的发现掀起了二维材料研究的热潮,至今为止已经发现了数百种二维材料。二维材料由于具有独特的光学和电学性质已经在太阳能电池、光催化、光电探测器等多领域有重要的应用。厚度薄的特点使其成为光电器件小型化的重要潜在材料,但也导致了二维材料探测器量子效率低、阻值大,噪声大等问题。 中科院上海技术物理研究所黄志明课题组近日在Advanced Materials上综述了近年来紫外至太赫兹波段的二维材料光电探测器的研究进展(论文信息附后)。作者们首先介绍了二维材料的光学性质及现有的二维材料光电探测器的探测机理,主要包括光电导效应、光诱导浮栅效应、电磁诱导势阱效应(EIW)、光伏效应、光热电效应、光热效应和等离子体波效应。其中EIW能够利用二维材料厚度薄、迁移率高等优势,有望实现二维材料光电探测器高性能快速响应。然后对探测器的优值因子进行介绍,指出具有高开关电流比(~103以上)的二维材料场效应晶体管的散粒噪声只考虑暗电流而不是工作电流,会导致相关探测器的探测率被高估至少1-2个数量级。另外,归纳总结了近年来紫外至太赫兹波段的二维材料光电探测器及提升探测器性能的策略,包括带隙工程、制作同质结、异质结及与纳米线等其他材料的混合器件。并将现有二维材料光电探测器的性能与传统半导体材料的探测器性能进行比较。相比而言二维材料光电探测器难以兼顾高性能与快速响应。最后,文章认为二维材料面临着大面积、高质量、均匀生长的挑战,并且二维材料的稳定性也有待提高;二维材料光电探测器,需要充分利用二维材料厚度薄的优势及其与光相互作用的物理本质,发展合适的二维材料光电探测机理,提升二维材料的光吸收、降低器件的暗电流及加快器件的响应时间。文章指出利用二维材料厚度薄、迁移率高等优势的EIW机理有望使得二维材料探测器实现高性能的光电探测。 消息来源:MaterialsViews
2021-04-13
西安交大周健等AS:过渡金属二硫化物的太赫兹光致相变
科技动态
西安交大周健等AS:过渡金属二硫化物的太赫兹光致相变
通常来说,材料可以按其导电性分为绝缘体、半导体、金属(或半金属)等。近年来的物理学理论和实验发现,材料还可以按其电子结构几何相位的拓扑性来进行分类,不同拓扑相的半导体之间存在着显著的光、电、磁学差异。这些电子拓扑差异可以给材料带来很多新物理现象,包括高速且无背散射的电子输运、优异的光电性能、以及提供某些新的准粒子行为。由于这些理论和应用上的重要意义,拓扑相及其相变理论获得了2016年诺贝尔物理学奖。为了取得进一步的实验和应用进展,近年来人们一直致力于寻找和探索具有非易失性的拓扑相变体系,其中二维的过渡金属二硫族化物(TMDC,如MoTe2)是最具潜力的材料之一。理论和实验均表明,TMDC的基态结构(H相)是具有谷极化性质的半导体,它可以通过类似马氏体相变的过程转变为拓扑绝缘体(T相),从而实现拓扑相变,因而这一拓扑相变过程引起了人们的广泛兴趣。此前的理论和实验已经指出可以通过力学、电学或电化学方法诱导H到T的相变,然而这些方法可能存在相变不完全、速度慢、易引入杂质、与样品直接接触等缺点。 为了克服以上困难,人们需要探索新的相变方案和相变机制。近日,西安交通大学材料学院材料创新设计中心周健教授与国内外专家合作,提出了太赫兹光照下材料结构热力学稳定性和相变理论。光照诱导相变方法与样品不直接接触,从而可以减少样品中不必要的杂质和应力。他们利用量子力学第一性原理方法计算了TMDC的H和T相电子和声子的太赫兹光响应函数,并根据他们提出的相变理论预言了光频率、强度、偏振方向对两种相稳定性的影响,提出了拓扑相变方案。同时通过理论分析和分子动力学计算,指出这种方案具有产热小、速度快、易调控等优点。这一理论预言与MIT Pablo Jarillo-Herrero和Keith Nelson两个课题组最新的联合实验观测结果非常一致,证实了太赫兹光照相变理论的可靠性和价值。 近年来,西安交通大学周健教授课题组与国内外专家合作,在低频光诱导材料铁弹/铁电结构相变、拓扑相变和弹性应变方向做出了一系列理论预言,相关工作结果已发表在Nano Lett. 18, 7794 (2018); Nano Res. 12, 2634(2019); NPG Asia Mater. 12, 2 (2020); Phys. Rev. Appl. 14, 014024(2020); Phys. Rev. Research (Rapid Communication) 2, 022059 (2020);Int. J. Smart & Nano Mater. (invited review) 11, 191 (2020); npj 2DMater. Appl. 5, 16 (2021)上。本工作受到国家自然科学基金项目的支持。 消息来源:MaterialsViews
2021-04-13
科研动态 | 太赫兹光照诱导的二维材料结构相变理论取得新进展
科技动态
科研动态 | 太赫兹光照诱导的二维材料结构相变理论取得新进展
随着高效、快速存取信息数据的发展需要,位移型相变材料越来越多地进入了人们的视野,这是因为位移型结构相变通常仅包含部分原子的短程移位,在相变前后原子近邻的拓扑结构变化较小,相变过程中化学键断裂少,相变能垒较低,从而所需的趋动能较小,发生速度快。为了提高数据存储密度和获得优异的电磁学性能,低维量子材料及其原子/电子结构的相变受到了物理学家、化学家、材料学家们的广泛关注。为了引发这些材料的相变,通常人们需要施加各种外场作用,如应力、温度、电场、光场等。在这些场中,光场(尤其是低频光场)具有与材料非直接相互接触、大小方向可调、对结构损伤小、不易引入杂质原子、作用时产热少等优点,可以作为一种诱导二维材料相变的新型有效方案。目前来说,低频光场对半导体材料结构和性质的影响研究仍处于起步阶段,特别是当光场频率在太赫兹量级时,它如何与材料的电子、声子进行耦合,如何影响和调控材料结构的稳定性,依然有待于系统地理论探索和实验研究。另外,太赫兹光和材料相互作用的研究也将为下一代通讯技术、无损检测、安全筛查等领域的发展奠定一定的基础。 近日,西安交通大学材料学院材料创新设计中心(CAID)周健教授与国内外专家合作,提出了太赫兹光照对材料热力学性质影响的理论,给出了太赫兹光照下材料结构相变的公式。基于此,他们根据量子力学第一性原理计算研究了一系列二维材料的太赫兹光响应,讨论了这些材料的几何/拓扑相变过程。他们以α和β相的IV-VI族二维单层铁弹/铁电半导体为例,系统地计算了材料中声子和电子对太赫兹光子的响应,给出了这些材料的铁弹/铁电结构相变方案。研究发现,在中等强度的太赫兹线偏振光的照射下,二维铁弹/铁电材料铁性方向可以发生快速扭转。同时,他们还推导了利用非接触式的各向异性的电子能量损失谱公式和二次谐波来高精度检测结构的方法(图1)。相关工作以“Terahertz Driven Phase Transition in Two-Dimensional Multiferroics”为题发表在近期出版的npj 2D Materials and Applications 2021, 5, 16上。 图1 a. 太赫兹光照下铁弹/铁电相能量去简并;b. 各向异性的太赫兹光响应函数;c. 各向异性二次谐波;d. 各向异性电子能量损失谱。 此外,他们还指出太赫兹光照可以实现快速、无损地实现过渡金属二硫化物(TMDC)单层结构在H和T’之间的相变。由于TMDC材料的H和T’相具有完全不同的电子结构,尤其是T’相是目前唯一获得理论和实验公认的二维拓扑绝缘体材料,因而这种拓扑相变近年来引起了人们的广泛兴趣。通过计算TMDC的H和T’的用太赫兹光响应,他们预言了光频率、强度、偏振方向对两种相稳定性的影响,提出了拓扑相变方案(图2)。同时通过理论分析和分子动力学研究,指出这种方案具有产热小、响应快、易调控等优点。该工作发表于近期出版的Advanced Science 2021, https://doi.org/10.1002/advs.202003832上。这一理论预言与MIT的Pablo Jarillo-Herrero教授和Keith Nelson教授两个课题组最新的联合实验观测结果非常一致,从而证实了他们提出的太赫兹光照相变理论的可靠性和价值。 图2 a. 太赫兹光照诱导MoTe2材料的拓扑相变;b. 光照对材料吉布斯自由能和相稳定性的调控;c. 太赫兹光响应函数。 近年来,西安交通大学周健教授课题组与国内外专家合作,在低频光诱导材料铁弹/铁电结构相变、拓扑相变和弹性应变领域做出了一系列理论预言,相关工作结果已发表在Nano Lett. 18, 7794 (2018); Nano Research 12, 2634 (2019); NPG Asia Mater. 12, 2 (2020); Phys. Rev. Appl. 14, 014024 (2020); Phys. Rev. Research (Rapid Communications) 2, 022059 (2020); Int. J. Smart & Nano Mater. (review) 11, 191 (2020)上。这一系列工作受到国家重点研发计划“纳米专项”(青年项目)、国家自然科学青年/面上基金和西安交通大学青年拔尖人才计划等项目的支持。 消息来源:西安交通大学材料学院
2021-04-13
一种远场成像的多模光纤全息内窥镜
科技动态
一种远场成像的多模光纤全息内窥镜
一种远场成像的多模光纤全息内窥镜 图1 研究人员开发了一种用于远场成像的多模光纤全息内窥镜 全息内窥镜由许多头发丝一样细的多模光纤组成,有望用于微创生物医学成像中。研究人员表示,全息内窥镜的应用前景远超普通内窥镜,其使用已在活体动物实验中得到了验证,在动物体内研究拍摄到了与阿尔茨海默病等神经退行性疾病有关的活神经元和神经元回路等。如今,在一个甜椒和一台机械时钟的帮助下,德国莱布尼兹光子技术研究所的一组研究人员开展了一项概念验证实验,能将现有商用全息内窥镜扩展到远距离目标成像(即远场成像)应用中(文章见:APL Photon。doi: 10.1063/5.0038367)。该团队表示,其研究表明,远场成像能够将内窥镜的占用空间进一步减少到到0.1毫米以下,同时可在前所未有的组织深度达到显微分辨率。 远距离成像研究人员说,只需按下内窥镜上的一个按钮,就能够在远场成像和显微成像模式之间切换。远距离成像能够大大扩展内窥镜在动物疾病研究和潜在的临床/诊断应用方面的应用。德国莱布尼兹光子技术研究所研究团队包括ivo T. Leite、Sergey Turtaev、Dirk E. Boonzajer Flaes和Tomáš Cizmár,他们将研究重点放在距离仪器远端200到400毫米的成像目标上,并在此基础上解决了功率效率和波前控制准确度等问题。研究结果显示:全息内窥镜实现了对距离光纤很远物体的成像。文章共同作者、捷克科学院复合光子学实验室的负责人Cizmár解释道:“按下按钮就能把内窥镜的工作距离从一个切换到另一个,因此远场成像功能将变得非常有用。例如,可以首先通过胃肠道或肺等天然孔道导航到可疑组织,再将内窥镜切换成在光纤端面附近成像的高分辨率显微镜状态。”他补充说。 全息波前成像 图2 数字微镜器件显示的一组全息图,通过远场聚焦扫描远场视野的方式,改变了耦合到多模光纤中的波阵面 Cizmár解释说,全息波前成像技术需要用到两根光纤,一根光纤用于目标照明,另一根用于收集后向散射或返回的光子。这两根光纤的结合在一起成为一种无透镜成像设备,能够传递比普通内窥镜更多的信息。然而,他说,为了能够使这项技术在临床中发挥作用,重要的是了解返回到接收光纤轴的光子较少等问题对图像质量的影响,以及确保仪器满足动态环境的成像要求。这就是研究为什么要用到“甜椒”和“钟表”。研究小组写道:“通过对复杂的三维场景进行成像,展示了该仪器的多功能性,尤其是对模拟生物医学相关环境的甜椒内部、以及作为具有动态复杂性物体例证的正常工作的钟表机械成像。” 高成像标准更为重要的是,该团队实现了10万像素图像的传输,已经达到了现代视频内窥镜的标准。此项研究还证实了内窥镜的视场、分辨率和最小成像距离仅取决于照明光纤的数值孔径和纤芯尺寸。Cizmár说,全息内窥镜在人类医学中最有前途的应用,在于那些人体难以接近的部位(卵巢及胰腺等)的诊断。“通常对可疑组织进行诊断时,需要对已死的组织进行化学染色。而全息内窥镜作为一种纯光学的实时诊断方法,有很大潜力取代这种传统诊断手段。”同时他也强调,在动物上的应用也非常重要。“如果全息内窥镜能在痴呆症成因等动物研究上发挥作用,以帮助对应药物的开发的话,这种愿景本身就是对此项实验的巨大激励,证明它值得我们的付出和汗水。” 面临的挑战Cizmár说,全息内窥镜技术进一步发展仍然面临一些挑战。例如,在神经学中,如何才能对完全清醒的动物模型进行研究。他还说:“这将能够把我们在微观层面在动物大脑中看到的、与动物所遭受的联系起来——比如空间方向的感知,对情感,视觉、肌肉运动刺激的反应,以及神经疾病病变过程中这些过程的变化。Cizmár说,研究活体动物本身就具有相当大的挑战性,因为光纤会随着运动弯曲、成环或扭曲。他说:“光纤的形变改变了光的传输,进而影响了成像的质量。”他补充说,该团队正在努力寻找一个切实可行的解决方案。原文链接 本文受译者委托,享有该文的专有出版权,其他出版单位或网站如需转载,请与本站联系,联系email:mail#opticsjournal.net。(为防止垃圾邮件,请将#换为@)否则,本站将保留进一步采取法律手段的权利。
2021-04-13
半导体光电寄希望于碘化亚铜薄膜
科技动态
半导体光电寄希望于碘化亚铜薄膜
半导体光电寄希望于碘化亚铜薄膜来自RIKEN的物理学家向提高半导体性能迈出了一步,他们开发出一种单晶薄膜的碘化亚铜薄膜。这种薄膜在原子上是平的,没有任何缺陷。传统方法制造无杂质的碘化亚铜薄膜通常需要从溶液中沉积薄膜。然而,碘化亚铜是一种卤化物和高效导体,它在室温以上是稳定的,基于溶液的工艺无法产生高质量的薄膜。来自RIKEN Center for Emergent Matter Science的一个研究小组运用了分子束外延。在这项技术中,薄膜生长在基板之上,它在在真空中和高温下生长。虽然该技术常用于半导体制造,但很难用于碘化亚铜。该材料具有高度挥发性,这意味着它在外延工艺中容易蒸发,不会轻易沉淀到薄膜的结构中。团队克服了这些困难,他们首先在较低的温度下生长薄膜,然后在一个两步过程中逐渐增加薄膜。砷化铟基板(黄色)上的一层薄薄的碘化亚铜晶体(蓝色/紫色)。样品的纯度通过将光子照射到表面以创建电子空穴对(红色和蓝色球体)并监测发射的光(白色光线)来测试。RIKEN Center for Emergent Matter Science供图。这项工作的另一个基本特点是在其基材中使用砷化铟:砷化铟晶格的物理间距与碘化亚铜的物理间距相似。Nakamura说晶格间距不匹配会导致材料中形成缺陷。为了测试样品的纯度,物理学家使用光发光光谱法向材料表面发射了光子。这种材料吸收了光子,导致其电子激发到更高的能量状态。激发导致电子发射新的光子。然后监测发射光的特点,研究小组确定其工艺成功地生成了一个没有缺陷的单晶薄膜。研究小组说,他们现在计划将不同卤化物制成的半导体组合在一起,以观察其可能出现的未知特性。Nakamura说这样做可使研究人员探索其新的功能和物理现象。这项研究发表在《Applied Physics Letters》上(www.doi.org/10.1063/5.0036862).原文链接
2021-04-11
智能玻璃设计省电
科技动态
智能玻璃设计省电
智能玻璃设计省电来自卡塞尔大学(University of Kassel)的研究人员设计了一项可以利用照明和温度技术降低能耗的方案。智能系统使用微光机电(MOEM)微镜阵列来调节和引导阳光。这个系统不受风、窗户清洁和天气条件的影响,这是因为惰性气体的缘故,如填充窗玻璃之间的的氩或氪。 电子工程和计算机科学系教授Hartmut Hillmer表示:"我们的智能玻璃基于数百万微镜,肉眼是看不见的,它可以根据用户行为、太阳位置、白天和季节来灵活调节反射进来的阳光,在建筑内提供个性化的光线转向。目前最先进的玻璃是针对某些季节(夏季或冬季)的气候进行优化设计的,省略了当前光线条件和温度等变量。研究人员开发的系统通过电子控制机制自动对当地气候、日光、季节、温度和运动感应做出反应,电子控制机制通过接收传感器的输入来引导和定位反射镜。垂直摆放、平面微镜阵列内嵌放大区域的 SEM 微图。Hillmer等人供图。系统的 MEMS 微镜阵列集成在绝缘玻璃内部,其方向由各电子之间的电压操作。房间内的运动传感器可以检测到房间内用户的数量、位置和移动,从而向镜像系统发送信号以做出相应的反应。在夏季,如果房间是空的,智能玻璃将通过垂直切换微镜,反射外面的太阳辐射来保持房间凉爽。当有人进入房间时,系统将打开上面部位的反射镜,将阳光反射到天花板头顶有限的区域上。窗户的下部仍然关闭,继续反射外面太阳的辐射。相反,在空无一人的冬天,反射镜打开将太阳辐射反射到中央墙上,作为辐射加热器。当有人进入房间时,系统将光线反射到天花板上以减少眩光,并继续利用太阳辐射供暖。图示为系统如何对季节变化和运动输入作出相应的反应。Hillmer等人供图。该系统的测试表明,亚微秒范围内的驱动速度显著提高,比电色显示器或液晶概念低40倍的功耗。研究人员对微镜结构进行了快速老化测试。这些测试模拟了极端天气事件及其所造成的影响,以及在长期使用、极端温度和温度突然变化等情况下的运作。这个系统经受住了所有的测试,期间没有故障或损坏。对于长期使用的测试在整个过程中系统都受到恶劣条件的影响,其结果表明预期使用的寿命远远超过了40年。这项研究发表在《Optical Microsystems》上(www.doi.org/10.1117/1.JOM.1.1.014502).原文链接
2021-04-08
基于非线性混频的亚波长成像
科技动态
基于非线性混频的亚波长成像
基于非线性混频的亚波长成像 衍射极限(在光学中又被称为阿贝衍射极限)在成像、天文学、光刻技术等许多涉及波动的系统中,是一个非常难以解决的问题。例如,目前最好的光学显微镜的分辨率只有200纳米左右,但是用准分子激光进行光刻的实际尺寸大约为几十纳米。与此同时,目前生物学和半导体工业等领域的研究及应用的尺度,已经缩小到几纳米,远远低于衍射极限。根据阿贝理论,物体的亚波长特征通常包含在倏逝波分量中,倏逝波随着与目标距离的增长呈指数衰减。为了衍射极限,研究人员发明了许多绕过阿贝极限的方法,并在一系列应用中取得了成功。例如,2014年诺贝尔化学奖授予了Eric Betzig、Stefan W. Hell和William E. Moerner,以表彰他们对用于生命科学研究的超分辨荧光显微镜所做出的贡献。目前,克服光学衍射极限的方法主要有近场和远场两种。近场方法使用纳米级尖端扫描样品,直接与倏逝波相互作用。作为一种扫描方法,这种方式可实现 高保真度成像,但耗时长;另一方面,受激发射损耗显微成像(STED)、随机光学重建显微成像(STORM)和结构光照明显微成像(SIM)等远场方法,都需要借助荧光染料进行标记,从而无法用在半导体行业等更广泛的应用中——在半导体产业中,需要一种无需近场扫描、纳米加工和荧光标记的方式。最近,上海交通大学的研究人员发明了一种打破阿贝衍射极限的替代方法,能以全光学方式实现亚波长成像,文章发表于Advanced Photonics。文中提出了一种硅表面四波混频过程(一种三阶非线性光学效应)激发的局域倏逝波照明。这种激发波可将目标的部分倏逝波散射到远场,从而实现超分辨率成像。通过改变激发波的波矢,可以得到傅里叶谱中不同方向的部分。再将得到的信息与一种被称为傅里叶叠层成像的迭代重建技术相结合,将这些不同的傅里叶光谱部分相叠加,即可恢复包括倏逝场在内的的放大傅里叶光谱,从而实现远场超分辨率成像。 图1 利用非线性四波混合激发的倏逝波,实现远场无标记超分辨率成像 该团队通过测量目标周围的倏逝波,实现了无标记、非扫描亚波长远场成像。本文作者指出,由于这种被激发的近场倏逝波的相长干涉,能够把光聚焦到远低于衍射极限的光斑范围中,因此此项研究结果有望推动新型高分辨率光刻机的研究。文章见:Zhihao Zhou et al., "Far-field super-resolution imaging by nonlinearly excited evanescent waves," Adv. Photon. 3(2) 025001, doi 10.1117/1.AP.3.2.025001.原文链接 本文受译者委托,享有该文的专有出版权,其他出版单位或网站如需转载,请与本站联系,联系email:mail#opticsjournal.net。(为防止垃圾邮件,请将#换为@)否则,本站将保留进一步采取法律手段的权利。
2021-04-07
看得更远:科学家实现了超200公里的单光子三维成像
科技动态
看得更远:科学家实现了超200公里的单光子三维成像
看得更远:科学家实现了超200公里的单光子三维成像 由中国科学技术大学的潘建伟院士、徐飞虎教授领导的课题组,借助高效光学设备及一种新型噪声抑制技术,成功实现了距离超过200km的单光子3D成像。文章审稿人将此项研究成果称为远距离单光子成像研究的“壮举”。 图1 (a)使用配有望远镜的标准天文相机拍摄的目标山脉照片,海拔约4500米。(b)光学系统示意图。(c)实验装置实物,包括光学系统(左上、左下)和电子控制系统(右下)。(d)实验场地示意图:建在海拔1770处、装有激光雷达的临时实验室 近年来,借助激光雷达技术,研究人员们实现了目标场景的高精度三维成像。单光子成像激光雷达兼具单光子级灵敏度和皮秒分辨率的优点,是进行远距离光学成像的理想技术。然而美中不足的是,由于回波光子数量呈二次递减,其成像范围受到严格限制。研究人员首先优化了收发器光学设计,设计了全新的激光雷达系统。激光雷达系统中采用了发射和接收光路同轴扫描设计,与传统方法相比,光斑发射、接收的对准更精确,成像分辨率更高。为了区分弱回波信号和强背景噪声,该团队开发了一种单光子雪崩二极管探测器,其探测效率为19.3%,暗计数率为0.1kHz。此外,研究人员在望远镜上加镀涂层,以实现1550纳米波长处的高透射率。这些技术改进,使得系统收集效率达到了前所未有的高度。研究人员还采用了一种高效的时间滤波技术来抑制噪声,该技术噪声光子总数降低至0.4 KHz左右,比以往的技术低了50倍以上。实验结果表明,该系统将三维成像的距离拓展到了201.5公里,成像灵敏度达到单光子。此项工作改进了低功耗、高分辨率主动成像单光子激光雷达及远距离遥感技术,为远程目标识别、地球观测等应用开辟了新的途径。原文链接 本文受译者委托,享有该文的专有出版权,其他出版单位或网站如需转载,请与本站联系,联系email:mail#opticsjournal.net。(为防止垃圾邮件,请将#换为@)否则,本站将保留进一步采取法律手段的权利。
2021-04-07
中红外、近红外双波段波导芯片
科技动态
中红外、近红外双波段波导芯片
中红外、近红外双波段波导芯片 光子芯片的发明,使得硅波导携带数据的能力逐渐提高。相应地,科学家们希望能够提高其中所传输光信号的带宽。然而对芯片级设备的制造来说,在同一波导内多路复用近红外和中红外信号,是一个难以解决的问题。如今,美国一所大学的研究人员们展示了一种新型的混合型波导,可同时传输中红外(波长6.5微米~7.0 微米)和近红外(波长1.55微米)(文章见:Advanced Materials, doi: 10.1002/adma202004305)。这种波导由两种不同的半导体制成,有望成为未来集成光子结构的关键部件,可处理远程通信和化学光谱等数据。图1 研究人员设计了一种混合型硅基光子波导,可在同一块芯片上同时传输中红外和近红外光 硅和氮化硼的堆叠该混合波导由美国范德堡大学制成,由六方氮化硼(hBN)异质结构和硅组成。范德堡大学的工程学教授Joshua D. Caldwell说,异质结构就是“两种不同材料堆叠在一起形成的结构”,在他们所研发的混合波导中,这两种材料分别是硅和氮化硼;其中氮化硼以一种类似于石墨的六方晶格的最稳定形式存在。目前科学家们已经能够在硅波导中传输近红外频率,但若想在其中传输中红外波,波导尺寸必须更大。而问题在于,当波导尺寸大到足够接收中红外信号时,近红外的传输又会被扰乱。hBN材料以双曲声子极化激元的形式传输中红外波。范德堡大学的研究人员们首先数学建模,然后通过实验制造了混合型波导:先将波导蚀刻到220nm厚的硅片上,然后在上面转移了40nm厚的hBN层。研究小组借助扫描近场光学显微镜分析了通过异质结构的信号模式。 未来的可能性Caldwell说,这种异质结构有很多潜在的用途。他解释道:“一方面,可以使用中红外信道进行化学传感,‘通知’近红外信道探测事件的发生,并将信号发送到信号的读出端。此外,对中红外信道进行调制,可以改变底层硅通道的局部环境,从而提供了一种主动调制近红外信号的手段。最后,这种波导也能够简单用于传输相同形式的两种不同信息中。”Caldwell说,接下来他和他的同事们将着重研究如何将这些杂化异质结构整合到功能硅光子结构中,如环形谐振器和光子晶体,探索能否在这些结构中实现近红外和中红外复用。另有来自其他三家美国机构的研究人员参与了此项研究,他们分别来自:爱荷华大学、哥伦比亚大学和堪萨斯州立大学。原文链接 本文受译者委托,享有该文的专有出版权,其他出版单位或网站如需转载,请与本站联系,联系email:mail#opticsjournal.net。(为防止垃圾邮件,请将#换为@)否则,本站将保留进一步采取法律手段的权利。
2021-04-06