超快激光检测仪

近日，英国科学家首次展示了一种新型激光雷达系统，其使用量子探测技术在水下获取3D图像。该系统拥有极高的灵敏度，即便在水下极低的光线条件下也能捕获详细信息，可用于检查水下风电场电缆和涡轮机等设备的水下结构，也可用于监测或勘测水下考古遗址，以及用于安全和防御等领域。 在水下实时获取物体的3D图像极具挑战性，因为水中的任何粒子都会散射光并使图像失真。基于量子的单光子探测技术具有极高的穿透力，即使在弱光条件下也能工作。在最新研究中，研究人员设计了一个激光雷达系统，该系统使用绿色脉冲激光源来照亮目标场景。反射的脉冲照明由单光子探测器阵列检测，这一方法使超快的低光检测成为可能，并在光子匮乏的环境（如高度衰减的水）中大幅减少测量时间。激光雷达系统通过测量飞行时间（激光从目标物体反射并返回系统接收器所需的时间）来创建图像。通过皮秒计时分辨率测量飞行时间，研究人员可以解析目标的毫米细节。最新方法还能区分目标反射的光子和水中颗粒反射的光子，使其特别适合在高度浑浊的水中进行3D成像。他们还开发了专门用于在高散射条件下成像的算法，并将其与图形处理单元硬件结合使用。在3种不同浊度水平下的实验表明，在3 m距离的受控高散射场景中，3D成像取得了成功。量子检测技术在陆地上的应用，较多见诸报道。其实这种技术在水下的应用，同样空间广阔。例如，利用它进行海底地形勘测、水下考古、海底设备检测等等。不过，将这种技术应用于水下，绝对不意味着将其直接“照搬”。以在海洋中的应用为例，需要考虑海水的腐蚀性、洋流的运动、海底光照条件等多种特殊因素。因此需要使用特殊的耐腐蚀材料，进行特殊的设计，以更加适应水下环境的应用。

全共线多功能超快光谱仪BIGFOOTMONSTR Sense Technologies是由密歇根大学研究人员成立的科研设备制造公司。该公司致力于研发为半导体研究应用而优化的超快光谱仪和显微镜，突破性的技术可将光学器件和射频电子器件耦合在一起，以稳健的方式测量具有干涉精度的光学信号，真正实现一套设备、一束激光、多种功能。图1. 全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT不仅兼具共振和非共振超快光谱探测，还可以兼容瞬态吸收光谱（Transient absorption (TAS)）、相干拉曼光谱(Coherent Raman Spectroscopy (CRS))、多维相干光谱探测(Multidimensional Coherent Spectroscopy (MDCS))。开创性的全共线光路设计，使其可以与该公司研发的高精度激光扫描显微镜（NESSIE）联用，实现超高分辨超快光谱显微成像。全共线多功能超快光谱仪的开发也充分考虑了用户的使用体验，系统软件可自动调控参数，光路自动对齐、无需校正等特点都使得它简单易用。全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT主要技术参数：高精度激光扫描显微镜NESSIEMONSTR Sense Technologies的高精度激光扫描显微镜NESSIE可用入射激光快速扫描样品，在几秒钟内就能获得高光谱图像。该设备可适配不同高度的样品台和低温光学恒温器，物镜高度最多可变化5英寸，大样品尺寸同样适用。NESSIE显微镜是具有独立功能，可以与几乎任何基于激光测量与高分辨率成像的设备集成在一起，也非常适合与该公司研发的全共线多功能超快光谱仪集成。图2. 高精度激光扫描显微镜NESSIE 高精度激光扫描显微镜-NESSIE的输入信号为单个激光光束，输出信号为样品探测点收集的单个反向传播光束，这样的光路设计确保了反传播信号在扫描图像时不会相对于输入光束漂移，因而非常适用于激光的实验中的成像显微镜系统。图3. 使用NESSIE在室温下测量的GaAs量子阱的图像。a） 用相机测量的白光图像。b） 用调谐到GaAs带隙的80MHz激光器（5mW激光输出）进行激光扫描线性反射率测量。c） 同时测量的激光扫描四波混频图像揭示了影响GaAs层的亚表面缺陷 BIGFOOT+NESSIE应用案例：1. 高精度激光扫描显微镜用于材料表征美国密歇根大学课题组通过使用基于非线性四波混频（FWM）技术的多维相干光谱MDCS测量先进材料的非线性响应，利用激子退相和激子寿命来评估先进材料的质量。课题组使用通过化学气相沉积生长的WSe2单分子层作为一个典型的例子来证明这些功能。研究表明，提取材料参数，如FWM强度、去相时间、激发态寿命和暗/局部态分布，比目前普遍的技术，包括白光显微镜和线性微反射光谱学，可以更准确地评估样品的质量。在室温下实时使用超快非线性成像具有对先进材料和其他材料的快速原位样品表征的潜力。图4. (a)通过拟合时域单指数衰减得到的样本的去相时间图，在图(a)中用三角形标记的选定样本点处的FWM振幅去相曲线【参考】Eric Martin, et al Rapid multiplex ultrafast nonlinear microscopy for material characterization. Optics Express 30, 45008 (2022). 2.二维材料中激子相互作用和耦合的成像研究过渡金属二卤代化合物（TMDs）是量子信息科学和相关器件领域非常有潜力的材料。在TMD单分子层中，去相时间和非均匀性是任何量子信息应用的关键参数。在TMD异质结构中，耦合强度和层间激子寿命也是值得关注的参数。通常，TMD材料研究中的许多演示只能在样本上的特定点实现，这对应用的可拓展性提出了挑战。美国密歇根大学课题组使用了多维相干成像光谱（Multi-dimensional coherent spectroscopy, 简称MDCS），阐明了MoSe2单分子层的基础物理性质——包括去相、不均匀性和应变，并确定了量子信息的应用前景。此外，课题组将同样的技术应用于MoSe2/WSe2异质结构研究。尽管存在显著的应变和电介质环境变化，但相干和非相干耦合和层间激子寿命在整个样品中大多是稳健的。图5. （a）hBN封装的MoSe2/WSe2异质结构的白光图像。（b）MoSe2/WSe2异质结构在图（a）中的标记的三个不同样本点处的低功率低温MDCS光谱。（c）图（b）中所示的四个峰值的FWM(Four-Wave Mixing)四波混频积分图。（d）MoSe2/WSe2异质结构上的MoSe2共振能量图。（e）MoSe2/WSe2异质结构的WSe2共振能量图。（f）所有采样点的MoSe2共振能量与WSe2共振能量【参考】Eric Martin, et al Imaging dynamic exciton interactions and coupling in transition metal dichalcogenides, J. Chem. Phys. 156, 214704 (2022) 3. 掺杂MoSe2单层中吸引和排斥极化子的量子动力学研究当可移动的杂质被引入并耦合到费米海时，就形成了被称为费米极化子的新准粒子。费米极化子问题有两个有趣但截然不同的机制： (i)吸引极化子（AP）分支与配对现象有关，跨越从BCS超流到分子的玻色-爱因斯坦凝聚；（ii）排斥分支（RP），这是斯通纳流动铁磁性的物理基础。二维系统中的费米极化子的研究中，许多关于其性质的问题和争论仍然存在。黄迪教授课题组使用了Monstr Sense公司的全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT研究了掺杂的MoSe2单分子层。课题组发现观测到的AP-RP能量分裂和吸引极化子的量子动力学与极化子理论的预测一致。随着掺杂密度的增加，吸引极化子的量子退相保持不变，表明准粒子稳定，而排斥极化子的退相率几乎呈二次增长。费米极化子的动力学对于理解导致其形成的成对和磁不稳定性至关重要。图6. 单层MoSe2在不同栅极电压下的单量子重相位振幅谱【参考】Di HUANG, et al Quantum Dynamics of Attractive and Repulsive Polarons in a Doped MoSe2 Monolayer, PHYSICAL REVIEW X 13, 011029 (2023)

3月28日上午，国家重大科学仪器设备开发专项&ldquo 激光差动共焦扫描成像与检测仪器研发及其应用研究&rdquo 项目2013年度工作会在北京理工大学召开。　　科技部条财司孙增奇处长、工信部科技司王锐副调研员，杨柯巍主管、金国藩院士、李天初院士、周立伟院士、项目监理组和&ldquo 两组一委&rdquo (项目总体组、项目技术组和项目用户委员会)22位专家以及项目牵头承担单位北京理工大学机关及学院领导等共计40余人参加了会议。　　项目总体组成员代表北京理工大学科研院高新部张瑜部长代表学校致欢迎辞，工业与信息化部王锐副调研员、科技部条财司孙增奇处长、项目技术专家组组长金国藩院士、项目用户委员会组长北京交通大学理学院院长冯其波教授、监理组组长北京工业大学科技处处长石照耀教授分别作了讲话。　　项目技术专家组组长金国藩院士主持了进展汇报会议，项目负责人赵维谦教授向与会领导专家汇报了项目的总体工作情况及我校承担的研制任务的年度进展情况，清华大学张书练教授、中国科学院物理研究所刘玉龙研究员分别汇报了其承担的研制任务的进展情况。　　汇报结束后，与会专家现场考察了我校光电学院赵维谦教授项目组的实验室。现场询问了项目组研发的激光差动共焦干涉元件参数测量仪器、激光差动共焦曲率半径及焦距测量仪器、激光径向偏振光差动共焦显微仪器和激光差动共焦拉曼光谱成像仪器的研究状况，观看了项目组研发的关键部件&mdash &mdash 回馈激光干涉仪、余气回收式高精度气体润滑直线运动系统、高精度气体润滑回转运动系统、高精度气体润滑调倾/调心工作台和高分辨力大承载气体润滑四维调整工作台等，与会专家对研究成果的创新性及研究进展给予了高度评价。　　现场考察结束后，专家组对项目组进行了质询。会专家一致认为：国家重大科学仪器设备开发项目&ldquo 激光差动共焦扫描成像与检测仪器研发及其应用研究&rdquo 2013年度工作进展良好、实施效果显著，按计划全面完成了项目任务书所提出的研究工作，并希望项目组在后续的研究工作中，继续加强推进仪器的可靠性、产品化、软件、外观设计和知识产权保护等工作，提升仪器产品的竞争力。　　最后，项目负责人赵维谦教授代表项目组对与会领导、专家的莅临指导表示感谢，并表示会高度重视专家的建议，在今后项目的研发过程中进一步增强仪器产品化设计意识。