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北京大學物理學院顏學慶教授和盧海洋研究員領導的課題組提出了激光驅動光子對撞機的新方案，該方案每脈沖可以產生3億個Breit-Wheeler事件，并且所產生的正負電子對發(fā)散角只有7度，具有非常好的準直性。同時，背景噪聲可以得到有效抑制，信噪比高達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《物理評論快報》（Physical Review Letters）。 根據(jù)愛因斯坦質能方程和量子電動力學理論，在一定條件下光子（能量）可以轉化成物質，這對研究物質的起因有重要的作用。相關的理論研究始于上世紀30年代，直到1997年美國SLAC實驗室才首次在實驗中觀測到多光子碰撞產生正負電子對的過程。然而，對于兩個高能光子的互作用過程，也就是常說的光子對撞機，到目前為止還未能在實驗中觀測到。在光子對撞機中，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。在過去實驗中不能觀測到光子的互作用過程是因為已有伽馬射線源的流強和亮度還達不到要求。 近年來，隨著激光技術的發(fā)展，特別是10拍瓦(1拍瓦=1e15瓦)激光器的建成，激光光強將可以達到1e23W/cm3以上。當如此高強度的激光與物質相互作用時，大部分激光能量被吸收并轉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達到前所未有的流強和亮度。 團隊研究人員在前期的工作中對產生超高亮度伽馬光源進行了深入的研究，首次從理論上系統(tǒng)闡明了微通道結構靶中，縱向電場主導了電子的加速過程，同時電子的橫向加速可以得到有效的抑制，因此可以獲得高準直性的電子束，當這些電子束在橫向場中的相位發(fā)生反轉時，電子就會在管道邊界處產生強伽馬輻射。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，亮度比之前研究報道結果高出兩個數(shù)量級的伽馬輻射源。圖1. 激光驅動光子對撞機產生正負電子對的方案設計圖2. 本方案可以獲得高出之前2-3量級的伽馬光源亮度 本工作即基于以上研究成果，將該超高亮度的伽馬射線應用于光子對撞機。理論計算結果表明，該方案可以獲得超高信噪比（>1000:1）,且每一發(fā)正負電子對信號（>1e8）遠高于現(xiàn)有測量技術的探測極限。因此，通過該方案可以在實驗室中驗證光子互作用過程中由能量到物質的轉換過程，將提供激光驅動光子對撞機研究的新途徑，也將極大的促進雙光子BW物理的發(fā)展。未來有望依據(jù)本方案建設基于重頻拍瓦飛秒激光的高亮度伽馬源及其應用裝置。 北京大學物理學院博士后余金清為論文第一作者。顏學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的陳佳洱院士、馬文君研究員，広島大學的T. Takahashi教授，高能物理所的黃永盛研究員。該研究工作得到國家自然科學基金、科技部重點研發(fā)專項、挑戰(zhàn)計劃和中國博士后科學基金的聯(lián)合資助。相關模擬工作得到北京大學高性能計算平臺的支持。相關文章鏈接：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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當前限制基于VCSEL的激光雷達系統(tǒng)發(fā)展的主要原因是大部分VCSEL的發(fā)射功率較低，導致系統(tǒng)可探測的距離較短。本項目提出開展基于垂直腔面發(fā)射半導體激光（VCSEL）光源模塊的固態(tài)激光雷達研究的新思路。VCSEL的結構特點有利于并聯(lián)形成二維面陣結構，一次性發(fā)射一整個面的激光光束，一次性獲得的信息量遠大于傳統(tǒng)掃描式激光雷達。同時省去了機械掃描部分，結構更加自由緊湊，大幅度減小車載激光雷達的體積和成本。

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

本發(fā)明公開一種全固態(tài)調Q倍頻無衍射激光器,包括光學平臺,連續(xù)式輸出808nm波長光束的半導體激光器,聚焦透鏡,平面鏡一,能夠吸收808nm波長泵浦光并輸出1064nm波長光束的工作物質,適用于1064nm波段的調Q晶體,適用于1064nm波長倍頻的倍頻晶體,平面鏡二和軸棱錐,上述半導體激光器,聚焦透鏡,平面鏡一,工作物質,調Q晶體,倍頻晶體,平面鏡二和軸棱錐依次支撐定位于光學平臺上.采用上述方案后,本發(fā)明的全固態(tài)調Q倍頻無衍射激光器,可以在獲得達到較高的輸出功率,擁有良好的無衍射光束質量的脈沖式Bessel光束的同時簡化實驗儀器,降低實驗成本.

高性能的相干光源是基礎光物理研究和集成光子學應用的關鍵前提之一。近年來，具有超高品質因子的回音壁模式光學微腔已經(jīng)成為研究各種新型高效光源的重要平臺，實驗上已經(jīng)獲得了包括宇稱-時間反演對稱激光、軌道角動量激光和微腔光學頻率梳等。然而，回音壁微腔模式存在的固有手征對稱性導致腔中激光場通常是等強度相向傳輸?shù)?，嚴重阻礙了諸多光子學器件應用的發(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諧振腔的幾何手征對稱性。這種方法得到的激光方向性是固定的，難以動態(tài)調控其出射性質，且對諧振腔的形狀設計和工藝制備要求較高。

半導體激光器由于體積小、效率高、結構簡單、便于調諧等優(yōu)點，在工業(yè)、軍事、科研以及家電等領域發(fā)揮越來越重大作用，已成為重要的基礎器件。 項目研制和開發(fā)了半導體激光器系列產品，主要包括: 1、可調諧外腔半導體激光器 激光器二極管(LD)發(fā)出的光經(jīng)準直透鏡后平行入射到外腔閃耀光柵上，經(jīng)光柵分光得到一級衍射光和零級光。一級衍射光反饋回外腔與有源區(qū)光場相互作 用，實現(xiàn)壓窄線寬、降低噪聲目的;零級光經(jīng)聚焦透鏡后作為輸出光，調整光柵 的角度可實現(xiàn)波長的調諧。產品覆蓋從 762 到 795 納米(nm)各種波長，輸出功 率 50~100 毫瓦(mW)，線寬<500 kHz，可用于工業(yè)測量、光通信、光信息處理、 激光光譜學等。2、外腔半導體激光器穩(wěn)頻系統(tǒng)通過調制激光器的外腔、激光管的注入電流等得到激光光譜信號，處理后得 到參考譜線中心頻率兩側極性相反的穩(wěn)頻誤差控制信號，將激光頻率鎖定在參考 譜線中心附近。激光穩(wěn)頻在精密干涉測量、光頻標、光通信、激光陀螺及其精密光譜研究等 領域中有廣泛應用。產品可實現(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:產品使用非常方便。通過改變 FP 腔的腔長實現(xiàn)一定 范圍的波長掃描。(3)PID 電路鎖——鎖邊:產品簡單易用，用于對精度要求不高的鎖頻應用。 3、外腔半導體激光放大器 放大器可對入射激光進行放大，同時保持注入光的偏振、線寬和波長等物理特性不變。產品輸入光功率 10 mW~50 mW, 放大倍數(shù) 13dB, 輸出功率 500mW~ 1000mW,增益帶寬 30nm。

本測量儀器適用于對大型工件的各種形狀位置誤差（如直線度、同軸度等）進行測量，也同樣適用于為大型裝配與調整提供測量基準。測量原理為：角錐棱鏡沿被測表面移動時，被測表面的直線度誤差使角錐棱鏡與激光光束之間產生相對移動，從而使光束照射到接收裝置的位置發(fā)生變化，通過誤差評定軟件，得到直線度誤差。采用光纖準直和移動靶鏡無電纜連接是本測量儀的顯著特點。

已有樣品/n該項目采用自主設計裝置和編寫的軟件，實現(xiàn)嵌入式控制，能夠對超短脈沖的脈沖寬度和相位做出精確的測量：波長范圍：400nm-2000nm，脈沖寬度15fs-20000fs，重復頻率：同步測量-100MHz。目前國內相應的相應設備均需盡快美國和德國產品，單機價格在15萬元左右，且計算程序運行電腦需要另配。該儀器與其他產品在性能相比接近的同時，實現(xiàn)直接的控制與顯示。