突破！半导体所高性能电泵浦拓扑激光器研发取得进展

介绍：高强度和高重复的激光器快速连续发射强大的光爆发，每秒能够发射多次。商业聚变能源工厂和先进的紧凑型辐射源是依赖此类激光系统的系统的常见例子。然而，人类是一个主要的限制因素，因为人类的响应时间不足以管理这种快速射击系统。

为了应对这一挑战，科学家们正在寻找不同的方法来利用自动化和人工智能的力量，这些技术具有实时监控能力，可以进行高强度操作。

来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL)、弗劳恩霍夫激光技术研究所 (ILT) 和极光基础设施 (ELI ERIC) 的一组研究人员正在捷克共和国的 ELI 光束线设施进行一项实验，以使用机器学习 (ML) 优化高功率激光器。

研究人员在激光-目标相互作用数据上训练了LLNL的认知模拟开发的ML代码，使研究人员能够随着实验的进行进行调整。输出被反馈到ML优化器中，使其能够实时微调脉冲形状。

激光实验进行了三周，每次实验持续约12小时，在此期间，激光以5秒的间隔射击500次。每120次射击后，停止激光以更换铜靶箔并检查汽化的目标。

“我们的目标是以高强度和重复率证明对来自固体目标的激光加速离子和电子的可靠诊断，”LLNL的首席研究员Matthew Hill说。“在机器学习优化算法对激光前端的快速反馈的支持下，可以最大限度地提高系统的总离子产量。”

利用最先进的高重复率高级拍瓦激光系统(L3-HAPLS)和创新的ML技术，研究人员在理解激光-等离子体相互作用的复杂物理方面取得了重大进展。

到目前为止，研究人员一直依赖更传统的科学方法，这需要人工干预和调整。借助机器学习功能，科学家们已经能够更准确地分析庞大的数据集，并在实验进行时进行实时调整。

实验的成功也凸显了L3-HAPLS的能力，L3-HAPLS是世界上最强大、最快的高强度激光系统之一。实验证明了L3-HAPLS具有出色的性能可重复性、焦点质量和极其稳定的对准。

Hill和他的LLNL团队花了大约一年的时间与Fraunhofer ILT和ELI Beamlines团队合作准备实验。利弗莫尔团队使用了实验室指导研究与开发计划开发的几种新仪器，包括代表级闪烁体成像系统和REPPS磁谱仪。

漫长的准备工作得到了回报，因为该实验成功地产生了可靠的数据，这些数据可以作为包括聚变能、材料科学和医学治疗在内的各个领域进步的基础。

GenAI技术一直处于科学创新和发现的前沿。它正在帮助研究人员突破科学可能性的界限。上周，麻省理工学院和瑞士巴塞尔大学的研究人员开发了一种新的机器学习框架，以揭示有关材料科学的新见解。上周，人工智能被证明在药物发现中发挥了重要作用。

介绍：伦斯勒理工学院的研究人员制造出了一种不超过人类头发宽度的装置，它将帮助物理学家研究物质和光的基本性质。他们的研究成果发表在《自然纳米技术》杂志上，还可以支持开发更高效的激光器，用于从医学到制造业的各个领域。

该设备由一种称为光子拓扑绝缘体的特殊材料制成。光子拓扑绝缘体可以引导光子(组成光的波状粒子)到达材料内专门设计的界面，同时还可以防止这些粒子通过材料本身散射。

由于这种特性，拓扑绝缘体可以使许多光子像一个光子一样连贯地行动。这些设备还可以用作拓扑“量子模拟器”，研究人员可以在微型实验室中研究量子现象，即在极小尺度上控制物质的物理定律。

“我们创造的光子拓扑绝缘体是独一无二的。它在室温下工作。这是一个重大进步。以前，人们只能使用大型、昂贵的设备来研究这种情况，这些设备在真空中对物质进行超冷却。许多研究实验室无法使用这种设备，所以我们的设备可以让更多的人在实验室中进行这种基础物理研究，”RPI 材料科学与工程系助理教授、《自然纳米技术》研究的资深作者 Wei Bao 说。

鲍哲南补充道：“这也是在开发需要更少能量来运行的激光器方面向前迈出的有希望的一步，因为我们的室温设备阈值——使其工作所需的能量——比以前开发的低温设备低七倍。”

RPI 的研究人员利用半导体行业制造微芯片的相同技术创造了他们的新设备，该技术涉及将不同种类的材料逐个原子、逐个分子地分层，以创建具有特定属性的理想结构。

为了制造这种装置，研究人员培育了超薄的卤化钙钛矿板(一种由铯、铅和氯制成的晶体)，并在其顶部蚀刻了一种带有图案的聚合物。他们将这些晶体板和聚合物夹在各种氧化物材料片之间，最终形成了一个约 2 微米厚、100 微米长和宽的物体(人类头发的平均宽度为 100 微米)。

当研究人员用激光照射该设备时，材料设计的界面上出现了发光的三角形图案。该图案由设备设计决定，是激光拓扑特性的结果。

“能够在室温下研究量子现象是一个令人兴奋的前景。鲍教授的创新工作表明材料工程可以帮助我们解答一些科学上的重大问题，”RPI 工程学院院长 Shekhar Garde 说道。

介绍：据麦姆斯咨询报道，美国国家航空航天局（NASA）开发的新型高光谱红外相机配备了各种轻型滤光片，能够探测地球高层大气和地表反射阳光，可以改善森林火灾预警，还能揭示其它行星的分子组成。

上述高光谱红外相机采用高灵敏、高分辨率应变层超晶格（SLS）红外探测器，最初由位于美国马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心开发。它们结构紧凑、质量轻、适应性强，使Tilak Hewagama等工程师能够根据各种科学需要进行调整应用。

Hewagama说：“将滤光片集成到探测器上，消除了传统镜头和滤光片系统的大重量问题。这使得轻量化热像仪可以拥有紧凑的焦平面，从而可以使用更小、更高效的冷却器进行红外探测。小型卫星和其它任务可以通过该红外探测器的分辨率和精度获益。”

戈达德工程师Murzy Jhabvala领导了该红外探测器的早期开发工作，并领导了如今的滤光片集成工作。

Jhabvala还领导了国际空间站上的“紧凑型热像仪”实验，该实验展示了新型探测器技术在太空中的应用，同时也证明了其在地球科学领域的重大成功。

这次试验获得的数据提供了有关野火的详细信息，使人们更好地了解了地球云层和大气层的垂直结构，并捕捉到了由地球陆地特征引起的上升气流，被称为重力波。

这种突破性的红外探测器利用重复的分子结构层与单个光子相互作用，使探测器能够以更高的分辨率解析更多波长的红外光：从空间站轨道上看，每个像素的分辨率可以达到80米，而目前的热像仪分辨率为375~1000米）。

这种热像仪的成功吸引了NASA地球科学技术办公室（ESTO）、小企业创新与研究以及其它计划的投资，以进一步扩大其应用覆盖。

Jhabvala和NASA先进陆地成像热红外探测器（ALTIRS）团队正在为今年的激光雷达、高光谱和热像仪（G-LiHT）机载项目开发六波段版本。他说，这种开创性红外相机将测量地表热量，并能以高帧频进行污染监测和火灾观测。

NASA戈达德地球科学家Doug Morton领导了一个名为ESTO的项目，开发面向野火探测和预测的紧凑型火灾成像仪。

Morton说：“我们很难杜绝火灾，因此我们正试图了解火灾在其生命周期中是如何释放能量的。这将帮助我们更好地理解越来越易燃世界中的火灾新特性。”

Morton的团队设想，在对火情成像仪进行机载测试后，他们将装备一个由10颗小型卫星组成的编队，每天提供更多的火情图像，从而提供全球火情信息。

他说，结合下一代计算机模型，“这些信息可以帮助森林服务和其它消防机构预防火灾，提高前线消防员的安全性，保护火灾路径上居民的生命和财产安全”。

介绍：拓扑激光器（TL）是利用拓扑光学原理设计和制造的激光器件，可以得到具有鲁棒性的单模激光，是未来新型光电集成芯片的理想光源。电泵浦拓扑激光器以其体积小、易于集成等优点成为近年研究热点，但基于电注入的拓扑激光器目前仍处于研究起步阶段，输出功率低，性能距离实际应用还存在很大差距。因此，开发一种提高电泵浦拓扑激光器输出功率的设计思路和技术方案至关重要。

近期，中国科学院半导体研究所刘峰奇研究员研究团队在高性能电泵浦拓扑激光器研发方面取得进展：研究团队创新性地引入了表面金属狄拉克拓扑腔（SMDC）设计（图1），将拓扑腔制备于表面金属层，保留了有源区的完整性，为实现高功率输出提供了足够增益，从而解决了有源区刻蚀限制电泵浦拓扑激光器功率提升的瓶颈问题；利用SMDC与有源区之间的强耦合作用，在低有效折射率差的情况下，通过优化吸收边和拓扑腔参数设计，实现了鲁棒的拓扑带间模式（Jackiw-Rossi零能模）工作，并在不同结构参数的拓扑激光器的鲁棒单模激光光谱和远场模式中得到了例证。

由于SMDC设计未破坏有源区，且SMDC结构具有高面辐射效率，该器件实现了150毫瓦的单模面发射峰值功率（图2）。此外，该器件具有涡旋偏振远场，通过引入相位调制，在保持拓扑激光器涡旋偏振特性的情况下，获得了对称性可调节的远场（图3），是一种理想的片上涡旋偏振光源。该工作为高性能电泵浦拓扑激光器研发提供了新思路方案，对于推动高性能电泵浦拓扑激光器的发展和应用具有重要意义。

链接：https://cn.oejournal.org/article/doi/10.12086/oee.2024.230279

介绍：针对激光SLAM算法在特征匮乏、拐角狭窄的室内场景中定位精度低的问题，提出一种基于平面扩展和约束优化的激光惯性SLAM方法。在激光SLAM中融合IMU，根据IMU状态估计结果对激光点云进行位置补偿并判断关键帧。搭建全局平面地图，基于RANSAC算法对关键帧进行平面提取并结合预提取的方法跟踪平面特征以降低时间成本，拟合结果经iPCA优化去除噪声对RANSAC的影响。利用点到面的距离构建平面约束优化方程，并将其与边缘点约束和预积分约束统一融合，建立非线性优化模型，求解得到优化后的平面信息和关键帧位姿。最后为验证算法的有效性，在M2DGR公开数据集和私有数据集上分别进行实验，实验结果表明，本算法在大部分公开数据集上表现良好，特别在私有数据集上，相比于目前广泛应用的faster-lio算法，定位精度提升61.9%，展现出良好的鲁棒性和实时性。

链接：https://cn.oejournal.org/article/doi/10.12086/oee.2024.240001

介绍：设计了两束正交激光束光斑漂移的实时影像记录系统，进行了一系列的激光束大气传输外场实验，对比研究大气湍流环境下两正交方向激光束的光斑漂移，反演研究大气湍流的各向异性。实验结果表明，近地面大气湍流具有各向异性且表现为：一、与风向相关，当激光传输路径与风向夹角很小时，其垂直和水平方向的光斑漂移量会出现较大的差异，当激光传输路径与风向正交时，其垂直和水平方向光斑漂移量基本一致。二、与实时气温相关，表现为两正交激光束的光斑漂移量统计值在垂直和水平方向的四个分量中的不均匀分配，且气温降低会使不均匀分配的强度增加。分析研究成果，本文提出大气湍流各向异性强度指数A的概念，该指数的大小可以综合性的表征大气湍流各向异性特征及其强度。