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北京大學(xué)物理學(xué)院顏學(xué)慶教授和盧海洋研究員領(lǐng)導(dǎo)的課題組提出了激光驅(qū)動(dòng)光子對(duì)撞機(jī)的新方案，該方案每脈沖可以產(chǎn)生3億個(gè)Breit-Wheeler事件，并且所產(chǎn)生的正負(fù)電子對(duì)發(fā)散角只有7度，具有非常好的準(zhǔn)直性。同時(shí)，背景噪聲可以得到有效抑制，信噪比高達(dá)1000:1。研究成果以 “Creation of electron-positron pairs in photon-photon collisions driven by 10-PW laser pulses”為題在線發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。 根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程和量子電動(dòng)力學(xué)理論，在一定條件下光子（能量）可以轉(zhuǎn)化成物質(zhì)，這對(duì)研究物質(zhì)的起因有重要的作用。相關(guān)的理論研究始于上世紀(jì)30年代，直到1997年美國(guó)SLAC實(shí)驗(yàn)室才首次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到多光子碰撞產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的過(guò)程。然而，對(duì)于兩個(gè)高能光子的互作用過(guò)程，也就是常說(shuō)的光子對(duì)撞機(jī)，到目前為止還未能在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到。在光子對(duì)撞機(jī)中，光子的互作用的次數(shù)與光子數(shù)目和光子互作用截面成正比，與光子束的脈沖寬度、兩束光子束的交疊面積成反比。在過(guò)去實(shí)驗(yàn)中不能觀測(cè)到光子的互作用過(guò)程是因?yàn)橐延匈ゑR射線源的流強(qiáng)和亮度還達(dá)不到要求。 近年來(lái)，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，特別是10拍瓦(1拍瓦=1e15瓦)激光器的建成，激光光強(qiáng)將可以達(dá)到1e23W/cm3以上。當(dāng)如此高強(qiáng)度的激光與物質(zhì)相互作用時(shí)，大部分激光能量被吸收并轉(zhuǎn)化成伽馬射線輻射源，如果可以有效控制伽馬射線的發(fā)散角，輻射的伽馬射線將會(huì)達(dá)到前所未有的流強(qiáng)和亮度。 團(tuán)隊(duì)研究人員在前期的工作中對(duì)產(chǎn)生超高亮度伽馬光源進(jìn)行了深入的研究，首次從理論上系統(tǒng)闡明了微通道結(jié)構(gòu)靶中，縱向電場(chǎng)主導(dǎo)了電子的加速過(guò)程，同時(shí)電子的橫向加速可以得到有效的抑制，因此可以獲得高準(zhǔn)直性的電子束，當(dāng)這些電子束在橫向場(chǎng)中的相位發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)，電子就會(huì)在管道邊界處產(chǎn)生強(qiáng)伽馬輻射。由于電子的發(fā)散角決定了伽馬輻射的發(fā)散角，因此可以獲得準(zhǔn)直性非常好的γ-ray輻射源。數(shù)值模擬中10PW激光所能獲得的發(fā)散角小于3度，亮度比之前研究報(bào)道結(jié)果高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)的伽馬輻射源。圖1. 激光驅(qū)動(dòng)光子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的方案設(shè)計(jì)圖2. 本方案可以獲得高出之前2-3量級(jí)的伽馬光源亮度 本工作即基于以上研究成果，將該超高亮度的伽馬射線應(yīng)用于光子對(duì)撞機(jī)。理論計(jì)算結(jié)果表明，該方案可以獲得超高信噪比（>1000:1）,且每一發(fā)正負(fù)電子對(duì)信號(hào)（>1e8）遠(yuǎn)高于現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)的探測(cè)極限。因此，通過(guò)該方案可以在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證光子互作用過(guò)程中由能量到物質(zhì)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，將提供激光驅(qū)動(dòng)光子對(duì)撞機(jī)研究的新途徑，也將極大的促進(jìn)雙光子BW物理的發(fā)展。未來(lái)有望依據(jù)本方案建設(shè)基于重頻拍瓦飛秒激光的高亮度伽馬源及其應(yīng)用裝置。 北京大學(xué)物理學(xué)院博士后余金清為論文第一作者。顏學(xué)慶教授和盧海洋研究員為通訊作者。論文合作者還包括北京大學(xué)的陳佳洱院士、馬文君研究員，広島大學(xué)的T. Takahashi教授，高能物理所的黃永盛研究員。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、挑戰(zhàn)計(jì)劃和中國(guó)博士后科學(xué)基金的聯(lián)合資助。相關(guān)模擬工作得到北京大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)的支持。相關(guān)文章鏈接：Phys. Rev. Lett. 122, 014802 (2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.014802Appl. Phys. Lett. 112, 204103 (2018) https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5030942

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當(dāng)前限制基于VCSEL的激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展的主要原因是大部分VCSEL的發(fā)射功率較低，導(dǎo)致系統(tǒng)可探測(cè)的距離較短。本項(xiàng)目提出開(kāi)展基于垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光（VCSEL）光源模塊的固態(tài)激光雷達(dá)研究的新思路。VCSEL的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有利于并聯(lián)形成二維面陣結(jié)構(gòu)，一次性發(fā)射一整個(gè)面的激光光束，一次性獲得的信息量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)掃描式激光雷達(dá)。同時(shí)省去了機(jī)械掃描部分，結(jié)構(gòu)更加自由緊湊，大幅度減小車載激光雷達(dá)的體積和成本。

研究團(tuán)隊(duì)以釔鋁石榴石體系（YAG:Ce3+黃色熒光材料）和氮化物體系（CaAlSiN3:Eu2+紅色熒光材料）為研究對(duì)象，率先開(kāi)發(fā)出高導(dǎo)熱YAG:Ce3+基復(fù)相黃色熒光陶瓷，其在50W?mm-2的高光通量密度藍(lán)光激光激發(fā)下，仍能保持優(yōu)異的可靠性，該產(chǎn)品已與企業(yè)合作開(kāi)發(fā)出汽車前照大燈。為了獲得高顯色指數(shù)的激光白光，通過(guò)考察晶粒擇優(yōu)取向、燒結(jié)助劑和組合燒結(jié)工藝等對(duì)材料致密化、微觀結(jié)構(gòu)的影響，首次制備得到致密的CaAlSiN3:Eu2+紅色熒光陶瓷。

本發(fā)明公開(kāi)一種全固態(tài)調(diào)Q倍頻無(wú)衍射激光器,包括光學(xué)平臺(tái),連續(xù)式輸出808nm波長(zhǎng)光束的半導(dǎo)體激光器,聚焦透鏡,平面鏡一,能夠吸收808nm波長(zhǎng)泵浦光并輸出1064nm波長(zhǎng)光束的工作物質(zhì),適用于1064nm波段的調(diào)Q晶體,適用于1064nm波長(zhǎng)倍頻的倍頻晶體,平面鏡二和軸棱錐,上述半導(dǎo)體激光器,聚焦透鏡,平面鏡一,工作物質(zhì),調(diào)Q晶體,倍頻晶體,平面鏡二和軸棱錐依次支撐定位于光學(xué)平臺(tái)上.采用上述方案后,本發(fā)明的全固態(tài)調(diào)Q倍頻無(wú)衍射激光器,可以在獲得達(dá)到較高的輸出功率,擁有良好的無(wú)衍射光束質(zhì)量的脈沖式Bessel光束的同時(shí)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)儀器,降低實(shí)驗(yàn)成本.

高性能的相干光源是基礎(chǔ)光物理研究和集成光子學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵前提之一。近年來(lái)，具有超高品質(zhì)因子的回音壁模式光學(xué)微腔已經(jīng)成為研究各種新型高效光源的重要平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)獲得了包括宇稱-時(shí)間反演對(duì)稱激光、軌道角動(dòng)量激光和微腔光學(xué)頻率梳等。然而，回音壁微腔模式存在的固有手征對(duì)稱性導(dǎo)致腔中激光場(chǎng)通常是等強(qiáng)度相向傳輸?shù)?，?yán)重阻礙了諸多光子學(xué)器件應(yīng)用的發(fā)展，例如單向光發(fā)射、全光寄存器和非互易光傳輸?shù)?。迄今，要獲得具有單向性的回音壁微腔手征激光，通常需要直接打破光學(xué)諧振腔的幾何手征對(duì)稱性。這種方法得到的激光方向性是固定的，難以動(dòng)態(tài)調(diào)控其出射性質(zhì)，且對(duì)諧振腔的形狀設(shè)計(jì)和工藝制備要求較高。

半導(dǎo)體激光器由于體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、軍事、科研以及家電等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重大作用，已成為重要的基礎(chǔ)器件。 項(xiàng)目研制和開(kāi)發(fā)了半導(dǎo)體激光器系列產(chǎn)品，主要包括: 1、可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器 激光器二極管(LD)發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后平行入射到外腔閃耀光柵上，經(jīng)光柵分光得到一級(jí)衍射光和零級(jí)光。一級(jí)衍射光反饋回外腔與有源區(qū)光場(chǎng)相互作 用，實(shí)現(xiàn)壓窄線寬、降低噪聲目的;零級(jí)光經(jīng)聚焦透鏡后作為輸出光，調(diào)整光柵 的角度可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的調(diào)諧。產(chǎn)品覆蓋從 762 到 795 納米(nm)各種波長(zhǎng)，輸出功 率 50~100 毫瓦(mW)，線寬<500 kHz，可用于工業(yè)測(cè)量、光通信、光信息處理、 激光光譜學(xué)等。2、外腔半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻系統(tǒng)通過(guò)調(diào)制激光器的外腔、激光管的注入電流等得到激光光譜信號(hào)，處理后得 到參考譜線中心頻率兩側(cè)極性相反的穩(wěn)頻誤差控制信號(hào)，將激光頻率鎖定在參考 譜線中心附近。激光穩(wěn)頻在精密干涉測(cè)量、光頻標(biāo)、光通信、激光陀螺及其精密光譜研究等 領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)三種激光穩(wěn)頻，將線寬限制在 100kHz 左右。主 要有:(1)飽和吸收鎖——鎖峰: 產(chǎn)品精度高且易于操作。利用飽和吸收峰將激光 器精確鎖在某一固定頻率上。(2)FP 腔鎖——鎖峰:產(chǎn)品使用非常方便。通過(guò)改變 FP 腔的腔長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)一定 范圍的波長(zhǎng)掃描。(3)PID 電路鎖——鎖邊:產(chǎn)品簡(jiǎn)單易用，用于對(duì)精度要求不高的鎖頻應(yīng)用。 3、外腔半導(dǎo)體激光放大器 放大器可對(duì)入射激光進(jìn)行放大，同時(shí)保持注入光的偏振、線寬和波長(zhǎng)等物理特性不變。產(chǎn)品輸入光功率 10 mW~50 mW, 放大倍數(shù) 13dB, 輸出功率 500mW~ 1000mW,增益帶寬 30nm。

本測(cè)量?jī)x器適用于對(duì)大型工件的各種形狀位置誤差（如直線度、同軸度等）進(jìn)行測(cè)量，也同樣適用于為大型裝配與調(diào)整提供測(cè)量基準(zhǔn)。測(cè)量原理為：角錐棱鏡沿被測(cè)表面移動(dòng)時(shí)，被測(cè)表面的直線度誤差使角錐棱鏡與激光光束之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，從而使光束照射到接收裝置的位置發(fā)生變化，通過(guò)誤差評(píng)定軟件，得到直線度誤差。采用光纖準(zhǔn)直和移動(dòng)靶鏡無(wú)電纜連接是本測(cè)量?jī)x的顯著特點(diǎn)。

已有樣品/n該項(xiàng)目采用自主設(shè)計(jì)裝置和編寫的軟件，實(shí)現(xiàn)嵌入式控制，能夠?qū)Τ堂}沖的脈沖寬度和相位做出精確的測(cè)量：波長(zhǎng)范圍：400nm-2000nm，脈沖寬度15fs-20000fs，重復(fù)頻率：同步測(cè)量-100MHz。目前國(guó)內(nèi)相應(yīng)的相應(yīng)設(shè)備均需盡快美國(guó)和德國(guó)產(chǎn)品，單機(jī)價(jià)格在15萬(wàn)元左右，且計(jì)算程序運(yùn)行電腦需要另配。該儀器與其他產(chǎn)品在性能相比接近的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)直接的控制與顯示。