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第一项：最高平均功率全固态钠导星激光器研制成功
第20届国际高功率激光系统与应用学术会议上，平均功率达81瓦的当今世界最高水平、最大功率全固态钠导星激光器，已由中国工程物理研究院应用电子学研究所研制成功，未来其可在大型望远镜、激光大气传输等科研领域发挥重要作用。
图1 激光器
在天文观测成像中，由观测目标发射的光线在穿越大气层时会发生波前畸变，将导致其成像质量降低，因此大型望远镜往往需要足够亮度的“信标光源”用于探测大气扰动，并进行自适应光学补偿校正，以大幅度提高成像分辨率。通过激光器将589纳米波长的黄激光射向天空，引起大气层90千米至100千米高度钠原子共振、散射产生高亮度“人造”钠导星，一直是世界各国科学家们的研究热点。目前，钠导星激光器已成为TMT（30米望远镜计划）等大型望远镜的核心关键设备之一。
2004年起，中物院应用电子所选取全固态激光钠导星技术路线，以腔外和频钠导星激光为目标，逐步实现可持续发展技术方案设计、脉冲激光谱线精确控制、高能量激光定标放大、高效率和频等多项突破。该所于2012年在国内首次研制出大于300毫焦耳单脉冲能量钠导星激光器，实现平均功率19瓦、重频50赫兹，在国内首次实现钠导星回光单帧波面的探测与闭环。在此基础上，今年中物院钠导星激光器项目组利用高能量基频激光放大技术、谱线精确闭环控制技术、高效率远场激光和频技术等方面的重要突破，将钠导星激光器平均功率进一步提高至81瓦，该平均功率是当今世界上全固态钠导星激光器的最高水平。
新研制的高性能钠导星激光器具备谱线高精度、高平均功率、高光束质量等特点。在光谱方面，激光器波长与钠原子吸收谱线稳定、精确对准，精度达到0.2皮米；在频域方面，激光谱线宽度达到亚GHz，可谓“不胖不瘦”。此外，由于采用了1064nm、1319nm固体激光和频技术，科研人员还突破了高功率下两台激光器时域与空域同步技术、激光线宽压窄技术、高效率和频技术等多项难点。未来，该研究成果将在天文观测、大气观测、激光大气传输等领域发挥重要作用。
第二项：新型极化激光器比传统激光器用电少1000倍
跨越光和物质世界的极化不稳定粒子，密歇根大学研究人员验证了一种新型、实用、更有效地制造相干激光束的方法。
他们制造了第一台由电流而不是光供电的极化激光器，并且可以在室温条件下工作，而不是零摄氏度以下。
这些特性使曾经少数开发的激光器设备进入现实生活，他代表了自1960年最普通半导体二极管激光器诞生以来的又一里程碑，这一技术的独特之处在于使用电作为燃料而不是光。
这项工作可以推动激光器应用计算机芯片替代导线连接，制作更小、功能更强大电子产品，也可以拓宽医疗设备和治疗方法及更多方面的应用。
美国密歇根大学研究人员展示了第一台实用极化激光器，制造激光束比传统激光器更为有效，为了实现这一点，他们提出了一种创新设计，包括从设备的顶部和底部移动所需的反射镜到边缘。镜子由灰色条表示，黄色是研究者激发激光的电极，紫色是氮化镓半导体。
图2 极化激光器
研究人员并没有考虑开发该设备的具体应用，他们指出当人们创造出传统激光器的时候，并没有想到激光器如今变得无处不在，如今激光器应用于光纤通信、互联网、有线电视、DVD播放机、眼科手术、机器人传感和国防技术等。
发生极化，一部分是光，一部分是物质，极化激光器利用这些粒子来发光，预计比传统激光器更为节能，采用同样材料制成的新型样机运行所需电力比传统激光器少1000倍。
这一数字是很巨大的，在过去五十年里，我们一直依赖激光器产生相干光，如今我们依据全新理论也可以产生相干光。
激光（LASER）一词最初是受激辐射光放大的首字母缩写，极化激光器不是受激辐射发射，而是激发极化散射。
典型激光器由光泵浦增益介质材料放大信号，在泵浦之前，增益介质中的大多数电子处于最低能量态，即基态。一旦受光或电流冲击，电子吸收能量转移到更高能级态，积累一段时间，高能级电子比低能级电子多，设备达到了“粒子数反转”状态。在信号光诱导下由于受激辐射作用，这些电子又回到基态并释放出光子。
而偏振激光器并不依赖这种“粒子束反转”，所以它不需要很多的启动能量来激发电子，然后再逼其释放光子，阈值电流非常小，这是一个非常有吸引力的特征。
该研究小组采用合适的材料，包括坚硬、透明的半导体氮化镓，并配以独特的设计来维持受控激励极化形成，然后发光。
极化是通过光子与激子（电子-空穴对）结合产生作用机理的。电子带负电荷，而空穴的作用等效于正电荷。激子只有在恰到好处的条件下才与光子耦合，光或电流太强会过早打破激子，只有刚刚好才能实现极化，形成电偶极子；电偶极子衰减振荡，能量不断消耗，最终回到基态。在极化衰减过程中释放出一单色光束。
研究小组演示的光束是功率非常低（1W的百万分之一）的紫外线，对比之下，CD播放机里面的激光器的功率是千分之一瓦。
研究人员认为这是第一个可以实际使用在芯片上的极化激元激光器。
第三项：自主研制的太赫兹量子级联激光器实现激射
太赫兹量子级联激光器（THz-QCL）是太赫兹频段最具竞争力的相干光源之一，在天文观测、空间通讯和精密光谱测量等领域具有潜在的应用价值。同时，THz-QCL是电子和光子能带工程以及分子束外延技术的完美结合，是研究电子微观输运、纳米光子学，以及太赫兹波与物质相互作用的理想载体。
近日，中国科学院上海技术物理研究所首次自主研制的太赫兹量子级联激光器成功实现激射。中科院红外成像材料与器件重点实验室的科研人员采用先进的分子束外延技术和半导体微纳加工平台自主完成了太赫兹量子级联激光器的结构设计、材料生长和器件制备。激光器经法国国家科学研究中心基础电子学研究所测试，激光频率为2.5THz，最高工作温度为73K，输出功率为5mW；器件性能与英国剑桥大学研制的同样采用“束缚态至连续态跃迁”有源区设计方案的激光器水平相当。上海技物所中科院“百人计划”徐刚毅研究员在2014年10月举行的第十二届中红外光电子材料与器件国际会议上做了题为Photonic Engineering in Terahertz Quantum Cascade Lasers 的特邀报告，并在会上介绍了这一成果。
图3 太赫兹量子级联激光器
太赫兹量子级联激光器的研制难度大，对结构设计、材料生长和器件工艺均有很高的要求。上海技物所首次研制的太赫兹量子级联激光器即获得成功激射，并达到国际先进水平；激光器的结构设计、材料的分子束外延，以及器件的微纳加工与封装均由该所自主完成。这标志着上海技物所依靠自主能力在太赫兹量子级联激光器领域进入世界前列。该项成果已经引起了国际同行的高度关注和兴趣，已有多个研究单位表达了与上海技物所在太赫兹激光领域开展合作的意向。
第四项：新型中红外超快激光器：世界上最强烈的激光
奥地利维也纳科技大学光子学研究所和德国马克斯玻恩研究所的电气工程师们合作开发了一款中红外超快激光器，大幅度增加了台式激光驱动X射线源的硬X射线光子通量。
图4 台式X射线系统
无论何时想要调查研究材料的原子结构都需要使用X射线。由于新的X射线源不产生连续光而是短脉冲，所以可以用于时间分辨测量。
激光器发射的波长4μm、脉冲宽度亚100fs的激光照射铜板，激光功率密度足够高，可以从原子中拆出电子；逸出的电子在激光场中继续加速，最终以更高的能量再次撞击铜板，产生X射线发射。
维也纳大学的Skirmantas Alisauskas介绍说：X射线辐射的通量取决于激光波长，如果激光波长很长，则逸出的电子在返回铜板之前需要在激光场中经历较多时间，有充足的时间可以获得能量，但撞击铜板的难度会加大。实验初期使用的是通用0.8μm激光器，4μm激光波长增加了5倍，但使得X射线辐射通量提高了25倍。
每束激光脉冲会引出数十亿个X射线光子发射到所有方向。“在4μm的这个波段，这台激光器能够发射世界上最强烈的激光，”Alisauskas说，“但是我们希望在不久的将来，能够前进得更远。”该团队计划使用更长的波长进行X射线的激发实验，目前他们正试图通过增加激光器重复频率的方式提供X射线的辐射通量。
第五项：“以损止损”：科研通过扩大激光器能耗获得能量
在诸如激光器等光学系统中，能量损失是影响功效的主要障碍，它以令人沮丧的方式持续不断地存在。
为了克服激光器系统能量损失，操作人员经常用超量光子或光束来刺激系统以获取所需。但是，美国华盛顿大学的工程师们最近用一种新方法扭转或消除了这种损失局面，而他们的方法正是通过给激光器系统增加一些“损失”来收获能量。换一种说法就是，他们已经发明了一种“以退为进”的妙招。这一成果发表在10月17日出版的《科学》杂志上。
该成果的实验团队由华盛顿大学电子系统工程系教授杨兰（音译）博士领衔，五名队员来自美国、日本和澳大利亚。他们共进行了三个实验总结出这一新妙招。
据物理学家组织网10月17日（北京时间）报道，在第一个实验中，他们通过改变对两个微型谐振器的距离改变其匹配状态，对其中一个采用“一给命令就消失”的可控操作；在第二个实验中，通过变化损失量，他们能操控匹配状态并测算出两个谐振器之间的光强度，结果，令人吃惊地发现，当能量损失增加的时候，两个谐振器的总强度先是上升然后又有所下降，但最终重新显现出了较高的光强度；在第三个实验中，他们通过在二氧化硅中增加损失量获得了两个非线性现象。
“光强度在光学系统中是一个非常重要的参量。”杨兰说，“不同于给系统增加更多能量的标准方法，我们反其道而行之，通过调节损失量来获取更有效的能量。”
实验系统包括两个微小的直接匹配的二氧化硅谐振器，每一个都配备了不同的熔锥光纤连接器，能将光线从一个激光发射器的二极管引导到感光探测器；光纤逐渐变窄，确保光线在光纤和谐振器的正中间。杨兰说，这个构想可以在任何配对物理系统中应用。
图5 非对称激光谐振器匹配
关键器件是一种叫做“铬涂层二氧化硅纳米锥”的微型装置，能让其中一个微型谐振器产生光强损失。这个微型装置被放置在调控范围只有20纳米的极微小的光泄漏区域中。“用铬来做涂层，是因为它是一种能大量吸收1550纳米波长的材料，而且能很好地对它调控‘损失’程度。”研究人员说。另一种关键装备，是“纳米定位器”，能通过调节距离来控制配对谐振器之间的长度。
“损失获能”现象具有“例外点”的特征，这种特征对系统特性影响甚大。在近些年的物理学研究中，“例外点”贡献了一系列“反常”的表现和结果。“当我们调试系统达到‘例外点’，基于光强度的非线性过程都受到了影响。”
“这项研究的美好之处在于，通常来讲，‘损失’被认为是不好的，但是我们把它变成了好的进而扭转了坏的影响，我们用激光器实现了这一点。”杨兰说。除了对激光器技术发展有所裨益，他们的发现成果在其他物理学领域，比如光子晶体表现、电子结构和超材料等研究领域中，也会激发针对“损失”效果的新研究计划。
第六项：欧洲与美国联合研制高重频先进拍瓦激光器
欧洲正与美国等国家联合研制“高重频先进拍瓦激光器（HAPLS）”。HAPLS设计最终能够产生的功率峰值超过1拍瓦（10的15次方瓦），即每个脉冲在小于30飞秒（飞秒为10的负15次方秒，30飞秒为0.00000000000003秒）的时间内能够产生30焦耳的能量。30飞秒的时间可以看作以光速穿越人的一根头发粗细的距离所需要的时间。
HAPLS系统激光脉冲的频率为10赫兹即每秒重复10次，与现在的千兆兆瓦系统相比，在高重频的情况下产生1千兆兆瓦以上的功率是HAPLS系统的主要特点。
图6 利弗莫尔国家实验室的泰坦激光器（拍瓦级）
HAPLS由两个相连的激光系统构成。整个装置长17米、宽4.6米，外加占地4平方米的激光脉冲压缩机。第一个组成部分称为“二级管泵固体激光器”，其作用是为第二个组成系统即“啁啾脉冲放大器短脉冲激光器”提供能量。“二级管泵固体激光器”功率放大器将使用掺钕玻璃放大器板（这与美国国家点火装置相同），在10赫兹重频的情况下产生200焦耳能量，平均功率达到2000瓦。
在“二级管泵固体激光器”的输出端，利用频率转换器使频率加倍，从红外转变成绿光频率，以匹配短脉冲激光器的吸收谱带要求。
HAPLS的短脉冲激光系统将使用掺钛蓝宝石作为放大介质，可从“二级管泵浦固体激光器”的能量转换成脉宽为30飞秒、能量为30焦耳、峰值功率超过1拍瓦的激光脉冲。
HAPLS将安装在位于欧洲捷克共和国的欧洲极端光基础设施（ELI）中，该设施目前仍在建设当中。HAPLS两个激光系统由美国能源部劳伦斯·利弗莫尔实验室负责设计、建造和组装。HAPLS系统计划在2016年从美国运往欧洲，并将在2017年进行首次试验。
HAPLS能够产生超短、高能激光脉冲，这种脉冲可以作为二次源产生电磁辐射（如高亮度X射线）或加速带点粒子（电子、质子或离子）。这种激光技术在物理、医学、生物学和材料科学领域都有应用。
第七项：美国探索用反物质造伽马射线激光器
传统激光器的操作光波可从红外线到X射线一网打尽，而伽马射线激光器则依靠比X射线更短的光波来运行，这就使其能产生波长仅为X射线千分之一的光波，从而能对非常微小的空间进行探测，并在医学成像领域大展拳脚。不过，长期以来，建造伽马激光器一直是个难题。现在，美国科学家让一类名为“电子偶素（positronium）”的物质与反物质混合物作为增益介质，将普通光变成了激光束。
在最新一期的《物理评论·原子分子物理》杂志上，马里兰大学联合量子研究所的王逸新（音译）、布兰登·安德森以及查尔斯·克拉克撰文表示，他们发现，当向电子偶素提供特定能量，它将产生在其他能量下无法制造出的激光；而且要制造出激光束，这种电子偶素必须处于玻色爱因斯坦凝聚态下。
图7 伽马射线激光
克拉克解释道，这种奇怪的效应与电子偶素的“性格”有关。每个电子偶素“原子”实际上是一个普通的电子和一个正电子（电子的反物质）。正电子和电子分别带正负电荷。当它们相遇时，会相互湮灭并释放出两个高能光子，这两个光子位于伽马射线范围内，反向移动。
有时，电子和正电子会围绕对方旋转，就像电子围绕着质子旋转组成原子一样。然而，正电子比质子轻，因此电子偶素并不稳定，在不到十亿分之一秒内，电子和正电子会相互碰撞并发生湮灭。
为了制造出伽马射线激光器，科学家们需要使电子偶素的温度非常低，接近绝对零度（零下273摄氏度）。这一冷却过程会让电子偶素进入波色爱因斯坦凝聚态，这种状态下物质内的所有原子，也就是电子-正电子对，进入同样的量子状态，一举一动整齐划一。
量子状态的一个方面是自旋。电子偶素的自旋数要么为1，要么为0。一束远红外线光脉冲能让电子偶素的自旋数为0。自旋为零的电子偶素会湮灭并产生两个相干的伽马射线激光束。研究人员表示，能做到这一点是因为所有电子偶素“原子”拥有同样的自旋数。如果是自旋为0和自旋为1的电子偶素随机组合，那么光会朝各个方向散射。
研究人员也计算出，为了让一台伽马射线工作，每立方厘米大约需要1018个电子偶素原子，听起来有点多，但与空气的密度相比还是少很多，同样体积的空气大约有2.5×1019个原子。
在1994年首次提出伽马射线激光器这一概念的贝尔实验室的艾伦·米尔斯表示，研究人员可以借用数学方法，让制造这种激光器所需要的环境更加精确。
第八项：英国研制出世界上功率最大的太赫兹激光器芯片
英国利兹大学的研究人员开发出了世界上功率最大的太赫兹激光器芯片。据报道，该研究团队研制的量子级联太赫兹激光器的输出功率超过1W。新记录比去年维也纳团队的记录高出一倍以上。
太赫兹波具有广泛的潜在应用，包括检测药品、化学特征及爆炸物的遥感，以及人体内非侵入性癌症检测。然而，对科学家和工程师们的主要挑战之一是使激光器的输出功率和紧凑结构能够满足实际使用要求。
图8 太赫兹激光器系统
电子与电气工程学院太赫兹电子专家埃德蒙林菲尔德教授指出，即使可以构建一个能够产生大功率太赫兹辐射的大型仪器，但其应用是非常有限的，我们需要的太赫兹激光器不仅能够提供高功率光源，而且还要实现便携式和低成本。利兹团队研制的太赫兹量子级联激光器芯片的尺寸只有几个平方毫米。
林菲尔德教授说，这些激光器的工作过程非常微妙，不同的半导体材料，如砷化镓层建立了一个原子单层，通过精确地控制每一独立层的厚度和组成，构建半导体材料层数在1000到2000之间。他们能够突破新型激光器的功率记录要归功于利兹团队依据专业知识制造出的这些层状半导体材料，以及合理设计这些材料开发出高功率激光器件的能力。这项工作由工程和物理科学研究委员会（EPSRC）资助。
第九项：全碳等离子激光器问世 手机或可被印制在衣服上
据报道，澳大利亚莫纳什大学的科学家研发出了全球首个完全由碳基材料制成的等离子激光器。该技术有望在提高运行速度的同时，彻底改变电子产品的外形。未来，如名片般轻薄柔软的手机甚至能被直接印制在衣服上。
报道称，等离子激光器的大名叫表面等离子体激元纳米激光器（spaser），实际上是一种高效的纳米光源。它能够通过自由电子的振动发出光束，而不像传统激光器那样需要电磁波和占用巨大的空间。传统激光器的运行需要放大光子，而等离子激光器则是通过放大表面等离子体。等离子体的运用能够使其突破传统激光器的限制，速度更快、体积更小，让超高分辨率成像和微型光学电路成为现实。有研究称，这种电路比目前最快的硅基电路还要快上百倍。
负责此项研究的莫纳什大学电子和计算机系统工程学院（ECSE）博士盖鲁帕辛哈称，与半导体等离子激光器相比，碳基等离子激光器还将提供更多优势。
盖鲁帕辛哈说：“目前传统的等离子激光器大部分由金、银等金属纳米颗粒和半导体量子点制成，而我们的设备则由石墨烯谐振器和碳纳米管增益元件组成。使用碳意味着，这种激光器的效率更高、更柔软便携，能够在高温下工作，并且更加环保。根据这些特性，未来有望制造出能够直接印制在衣服上的微型手机。目前研究人员已经在纳米天线、电导体和波导上进行了测试。”
图9 全碳等离子体激光
这项新研究还首次证实了石墨烯和碳纳米管之间可以交互并通过光进行能量传递。这种基于光的传导，速度极快还非常节能，特别适用于制造计算机芯片。因为具有极其卓越的机械、电气和光学性能，而且还是优良的热稳定材料，能够承受高温，石墨烯和碳纳米管能够完全胜任很多高效、轻量级的应用。以该技术为基础的高速芯片可以被用来替代目前大量使用的、基于晶体管的装置，如微处理器、存储器和显示器等。新技术能够轻易突破硅基材料目前所面临的小型化和带宽瓶颈。
盖鲁帕辛哈说，除了在计算机领域的应用外，这种激光器还有望在癌症的放射疗法上获得应用，结合纳米标记技术，石墨烯和碳纳米管产生的高强度电场能将癌细胞各个击破，而不伤及健康细胞。此外，在分子检测和高灵敏度生物医学测试上该技术也能一显身手。
第十项：美开发紫外激光器用于生化探测：效率提高10倍
美国国防高级研究计划局（DARPA）启动了一项新研究，旨在开发出一种结构小巧、性能可靠的紫外线探测设备。
该研究项目名为“战术有效的拉曼紫外激光光源”（LUSTER）。DARPA向业界寻求设计方案，以开发结构紧致、高效低成本、可灵活部署的深紫外（deep UV）激光生化战剂探测新技术。这种新技术可以节省空间、降低重量和功率需求，也比当前的同类装置要敏感很多。DARPA的目标是：新紫外激光器的体积不超过目前激光器的1/300，同时效率提高10倍。
拉曼光谱分析是利用激光来测量分子振动、从而迅速准确地识别未知物质的方法。紫外激光的波长特别适合进行拉曼分析，但美国国防部当前所使用的战术紫外线探测系统体积庞大、价格昂贵，其性能也有限。
DARPA项目经理丹格林介绍说，目前探测系统的体积和重量太大，需要用卡车运送，而LUSTER项目的目标是开发出具有突破性的化学与生物战剂探测系统，可以单兵携带，并且效率大幅提高，同时，DARPA希望新系统的价格也能在目前探测系统价格基础上“抹去几个零”。
目前“紧凑型中紫外技术”（CMUVT）项目已经完成，DARPA希望在此基础上研制LUSTER。CMUVT项目研发出了创纪录的高效大功率中紫外线发光二极管，紫外线波长接近LUSTER的紫外光波长。 但发光二极管对化合物识别的灵敏度有限，因此DARPA希望LUSTER项目能够开发出新的激光技术，使其准确度和灵敏度不低于当前昂贵的激光系统，而其稳定性和成本又与发光二极管相当。
图10 深紫外固态激光器系统
格林透露，除了用于探测战场或国内大规模恐怖袭击中可能出现的化学与生物战剂，紫外激光器还有许多其他用途，例如医疗诊断、先进制造和紧凑的原子钟。
LUSTER项目可考虑采用多种不同的技术方法，只要他们能够发出220-240纳米波长的深紫外光，其功率输出大于1瓦，功率转换效率大于10%，导线宽度小于0.01纳米。
