波长尺度的光子学

光之所以在生产生活中如此有用，其中一个重要因素是其拥有较短的波长——其能够实现清晰的图像、超高速通信，在某些情况下还能实现紧凑的硬件。越来越多的光子器件正在更加深入地利用光的波长特性，将器件的物理结构尺寸从几个波长量级缩小到了亚波长量级。

电影《哈利·波特》中出现的隐身斗篷将不再是科幻。德国卡尔斯鲁厄理工学院和英国伦敦帝国学院的科学家们，已经制成了一种超材料隐身斗篷，并能在三维空间实现隐身。在此之前，隐身斗篷只能在二维空间实现隐身（见图1）。^[1]利用激光光刻技术，研究人员创建了一个三维“木堆”（Woodpile）结构的聚合物/空气光子晶体，具有定制的填充率，用这个光子晶体隐藏一个金反射物（尽管这种斗篷听起来并不是非常有用，但是其与其他波长尺度的结构相结合时，则会变成一种有用的工具）中的凸起。这种隐身斗篷之所以引发了业界的兴趣，是因为它能在一个非常大的非偏振光带宽（1.4~ 2.7μm）范围内实现隐身。

      图1：在一个暗场成像中，金凸起是可见的（a）；3D隐形斗篷隐藏了金凸起（b）。在明场成像的情况下也能得到类似的结果。

瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员研制出了亚波长微腔激光器。该激光器的谐振腔由两个半径为10μm的半圆形金电容构成，两个电容由一个10μm长的链环连接，作为感应器。实际上，他们是用共振电路代替了光学振荡器。这种方法实现了比以往任何电泵浦的微腔激光器都小的有效模式体积。激光器的量子级联增益区的厚度为8μm，输出波长为207μm。研究人员表示，未来这种激光器还有望实现更小的模式体积，并且能够在近红外区域实现输出。

市场对发射暖白光的LED的需求日趋旺盛，但是暖白光LED的发光效率要低于冷白光LED。土耳其比尔肯特大学和新加坡南洋理工大学联合开发出了一种具有纳米晶体量子点（QD）荧光体的暖白光LED，其发光效率要高于之前最好的暖白光荧光体。量子点具有一个硒化镉核心和一个涂有长链胺帽的硫化锌外壳，能发射绿光、黄光和橙光。将量子点与标准的氮化镓基蓝光LED集成，结果将会产生一个显色指数约为90、色温低于3000K的光。量子点本身具有创纪录的发光效率，其值超过350lm/W（该值是针对荧光体而非整个LED）。
 

用光照射一个具有适当结构的表面，可以成为表面等离子体，即金属表面上电子的相干振荡，这为控制光提供了一种新方法。为了提高有机光伏电池的性能，美国利哈伊大学、中科院、清华大学和美国国家科学基金会的研究人员，已经设计并模拟了一个不受偏振影响的纳米结构表面，并具有排列着纳米孔的银激活层，其能支持短距离表面等离子体电磁极化模式。^[2]这种方法能将光伏电池的性能提高39％~112％。

让光工作

2010年光子学领域取得了很多喜人的进展，尽管很多发展尚处于早期阶段，但这似乎并不能阻止未来它们被广泛应用的步伐。

相比于使用长脉冲或连续波激光器的微机械加工，飞秒激光微加工具有诸多优势：飞秒激光微加工能够分裂化学键，而不是溶化或蒸发物质，从而对周围物质产生的破坏性很小，并且能加工透明材料。飞秒激光加工通常使用的都是高斯光束，但是法国弗朗什孔泰大学和澳大利亚麦考瑞大学的研究人员却一直在使用贝塞尔光束。他们能够在玻璃中加工锥度自由的微通道，纵横比高达40，直径小至2μm（见图2）。研究人员表示他们还能获得更好的结果，^[3]并指出，这种方法还能加工出直径200nm的纳米结构。

图2：由飞秒贝塞尔激光束在玻璃中加工的微通道长度（a）和形态（b），作为每个脉冲能量的函数被显示出来。

美国开发出了一种能够识别痕量爆炸物的激光跟踪系统，其能在150米远的距离处识别TNT炸药，信噪比可高达70。^[4]该系统用一台可调谐CO₂激光器的输光照射潜在的可疑物品，进而明确判断出可疑物品中是否含有TNT。目前，研究人员已经开发出了该检测系统的原型，测试结果表明，与目前使用的爆炸物检测技术相比，该检测系统的灵敏度要高出好几个数量级。使用一台输出相同波长的高功率、室温下可调谐的量子级联激光器，可以制成一台通过屏幕检查过往人流以及他们携带的物品中是否含有爆炸物和爆炸残留物的系统，这种系统将在机场安检中非常有用。

基于光纤的超连续光源，能够提供对光谱学、显微镜和光学测量非常有价值的单横模白光。英国南安普敦大学和印度中央玻璃与陶瓷研究所的科学家们，共同建立了一台由主振荡器功率放大器泵浦的超连续光源，其在0.4 ~ 2.25μm的波长范围内，产生了有史以来最高的平均功率（39W）。^[5]该光源使用一根长2米、纤芯直径4.4μm的PC光纤，承受脉宽21ps、重复频率为114.8MHz的输入脉冲。研究人员表示，如果使用一个光纤堵头的话，还能使用更短的光纤，以降低吸收损耗。

美国加州理工学院开发出了一种新型显微镜——全息扫描显微镜，其不但能大幅增加视场，同时还能保持较高的分辨率（见图3）。它用一个200点×40点的光斑网格照射样品，产生一个6mm×5mm的视场，并能在2.5秒内捕获所有的图像。照射光源的波长为532nm，光斑尺寸为0.74μm。全息扫描显微镜的用途包括数字病理学（显微镜载片被成像和数字化）、直接成像，以及血液或宫颈抹片检查（广泛的视场有助于疾病诊断）。

图3：全息扫描显微镜下显示的一个空军目标（a，b）和百合花粉囊（c，d）的图像，有效视场为6mm×5mm。b、d显示的是放大了的细部图像。

 硅光致发光成像技术的发展，已经能够加速太阳能电池的检测。澳大利亚新南威尔士大学开发出的这项成像技术，目前正被太阳能电池制造商广为采用。该技术可用来检测硅砖块（240mm×15.6mm）、原切割晶圆（as-cut wafer）以及完全处理过的太阳能电池。该技术拥有非常快的成像速度：能以每小时2400片的速度扫描晶圆。该技术将有望用于光伏制造领域的联机监视，未来还有可能用于半导体及LED产业中。

光纤领域的发展

克莱姆森大学的研究人员报道了半导体纤芯玻璃包层光纤的进展，这种光纤在红外电力输送和非线性光纤中将具有潜在用途。研究人员正在制备透明的一元（硅和锗）和二元（锑化铟）半导体纤芯光纤。最初，研究人员预测这些纤芯是非晶的，但事实上却是高度结晶和纯相的。光纤的拉制长度范围从数米到200米。由于硅中的拉曼增益要比二氧化硅中的高出10⁴倍以上，因此硅芯光纤在3~5μm的光谱区域作为拉曼放大器非常有用——这个区域包含与通常用来制造大规模杀伤性武器的化学品有关的吸收线。

       悬浮芯光纤是在一个较大的充气区域内有一个小型固体芯，如果该纤芯足够小，就可成为一根悬浮的纳米线，这开启了有趣的非线性光学效应的大门。日本丰田工业大学的科学家利用一种气压膨胀技术，制造出了一种悬浮的铅硅酸盐玻璃纤芯的纳米光纤，其多孔区和纤芯的直径比至少为62，纤芯直径为480nm，长度达几百米（见图4）。该光纤在1557nm处的光学损耗为8±2dB/m，当用1557nm的飞秒激光器对其泵浦时，能实现单模的三次谐波产生（THG）。

图4：纤芯直径为480nm的悬浮芯光纤，在光学显微镜（a）和不同放大率的扫描电子显微镜下所呈现出的图像（b-d）。

       在光纤通信领域，正在设计各种系统，这些系统不仅用于对光信号的幅度编码，而且还用于对其相位编码，以达到更高的数据传输速率。但这样一来，非线性相位噪声便成为了性能的一个主要限制（而这在之前并不是什么问题）。对此，英国南安普敦大学、瑞典查默斯理工大学、爱尔兰大学、丹麦OFS公司、爱尔兰Eblana Photonics公司及希腊雅典大学的研究人员，已经率先开发出了一款实用的全光再生器，用于消除来自编码的光信号的相位噪声与幅度噪声。研究人员表示，该装置充分利用了相敏放大器的相位压缩技术，运行速率为40Gbit/s，并有潜力运行于更高的速率。
 
       有望变革现有技术的创新

麻省理工学院和密歇根大学联合开发出了一台微环激光器，由来自非相干光到相干光的一个级联能量转移泵浦，未来还将开发能用太阳光泵浦的版本，这意味着微环激光器可以作为一个发光太阳能收集器（LSC），用于太阳能电池中。与现有的非相干LSC相比，微环激光器作为LSC的一大优势是：光能够沿着同一方向传输到太阳能电池，而不会在各个方位发生散射而导致部分光损失，这是因为激光具有单向性。
       加拿大的研究人员已经开发出了首款超快光子高阶复杂场时间积分器，该设备有望成为未来全光计算机电路和存储器的关键组成部分。该积分器（大约运行在535nm波长）基于一个普通的光纤布拉格光栅设计而成，用于创建任意阶光子无源时间积分器。研究人员表示，该积分器可用于一种模拟模式，以实时求解任意阶微分方程。 

对于实用集成光子学非常关键的一项开发中，美国康奈尔大的研究人员已经建立了一种制造集成光子器件的方法，其将用普通的掩模和氧化技术实现一种完全与CMOS兼容的体硅方法，从而有望取代传统的复杂的硅绝缘体方法。这个过程可以在一个标准的CMOS生产线上付诸实践。在这项技术中，硅波导是由氧化创建的（见图5）。研究人员表示，当计算机制造行业出现电子产品无法满足他们对功率和带宽的需求时，光子学器件会为他们提供解决方案。未来，将会有更多的电子公司在他们的晶圆生产线中集成这些处理。

图5：用湿法氧化将一个硅波导从硅基底隔离：a）氧化之前； b）氧化1小时后；c）氧化6小时后； d）氧化后9小时后。

 全彩色（红、绿、蓝）激光微型投影机是手机制造商的梦想。但是，如果激光微型投影机的成本一直居高不下的话，那么其走向实用只能是一纸空谈。用直接绿光半导体激光器取代倍频绿光激光器，能大幅降低激光微型投影机的成本。Microvision公司宣布，他们已经将来自两家领先生产商的绿光半导体激光器整合到了其微型投影机原型中。虽然Microvision并没有说明其使用的绿光半导体激光器是哪些公司生产的，但是我们从相关的报道中了解到，目前市场上有五家生产直接绿光半导体激光器的公司：欧司朗、原Kaai（即现在的Soraa）、Nichia、Rohm和Sumitomo。目前市场上的直接绿光半导体激光器的输出波长范围为510~520nm、输出功率可达到50mW。

另一家提供全二极管激光器的全彩色微型投影机模块原型的厂商是日本Explay公司。该公司表示，其提供的模块具有852×480的像素分辨率和14lm的亮度，能将图像投影到20~200cm远的地方。模块的体积为7cm³，厚度为7mm。

Soraa公司已经在开发商用的直接绿光和蓝光半导体激光器方面取得快速进展，该公司业务开发副总裁Paul Rudy表示：“在绿光区域，我们已经演示了520~525nm的单模激光器，大约具有2％的插入效率（WPE）和超过60mW的连续波输出功率。在蓝光波段，我们已经演示了插入效率超过23％的单模激光器，输出功率为750mW，预计其使用寿命为1万小时。绿光激光器的使用寿命正在测试中，目前得到的结果也非常乐观。”

 德国图宾根大学的科学家们为盲人患者带来了福音。他们已经在盲人患者的视网膜后植入了一个光敏的微型光电二极管阵列（见图6）。^[6]该阵列通过患者的眼睛的晶状体接收光，并刺激视网膜细胞，进而产生一个分辨率为38×40像素的图像。这项技术已经使三位盲人能找到摆放在桌子上的物体。一位已经失明多年的患者，已经能识别出刀叉以及各种水果，并且还能阅读较大的文字。

        图6：在盲人患者的视网膜下植入微型光电二极管阵列，能让患者重见光明。

 另外，中国南京东南大学国家重点实验室成功地利用超材料创造了一个“电磁黑洞”，并模拟了微波频段的电磁黑洞实验，结果表明，电磁黑洞能够全向捕捉电磁波，引导电磁波螺旋式地行进，直至被黑洞吸收。在微波频段，黑洞对电磁波的吸收率可达到99%以上。微波频段的实验也验证了普渡大学科学家提出的“光学黑洞”理论方案。这一新研究构建了吸收电磁波的全新方法，同时又可以控制电磁波的吸收辐射。由于对电磁波的高效吸收性，电磁黑洞可望在电磁隐身等方面获得重要应用。

 参考文献
1. T. Ergin et al., Sciencexpress.org, 10.1126/science.1186351 (Mar. 18, 2010).
2. W. Bai et al., Opt. Exp., 18, 104 (Nov. 8, 2010).
3. M.K. Bhuyan et al., Appl. Phys. Lett., 97, 081102 (2010).
4. A. Mukherjee et al., Appl. Opt., 49, 11 (April 10, 2010).
5. K.K. Chen et al., Opt. Exp., 18, 6 (Mar. 15, 2010).
6. E. Zrenner et al., Proc. Royal Society B, published online before print Nov. 3, 2010, doi: 10.1098/rspb.2010.1747.