光学实验器

随着科学技术的发展，越来越多的研究人员希望在低温下进行量子光学实验，但却没有空间放置占用几立方米宝贵实验室空间的大型低温恒温器。针对此问题，国际知名低温显微镜领域制造商attocube systems AG公司推出了全新一代立光学低温恒温器attoDRY800xs。attoDRY800xs将attoDRY800的革命性概念提升到了一个新的水平，成为量子光学实验中紧凑的平台。该平台可定制低温护罩，配备您想要的光学设置，集成到光学平板中。attoDRY800xs是有史以来个立的光学低温恒温器，低温样品空间地嵌入到一个无障碍的工作空间中。图1. 全新一代立光学低温恒温器attoDRY800xs。 根据典型配置，我们设计了几种标准真空罩和冷屏，它们在定位器、样品架、工作距离和目标方面进行了优化。图2为可配置的低温物镜兼容真空罩，该真空罩内可配置attocube有的低温消色差物镜以及纳米精度位移台。如果仍然不够，可以根据用户的技术要求和偏好定制桌面上方的任何内容。图2：低温物镜兼容真空罩。 尽管设计紧凑，但attoDRY800xs仍能提供出色的超低振动性。图3中激光干涉仪直接测量冷头位置的振动，垂直方向的峰间振动小于2纳米（3纳米），而在横向上低于10纳米（40纳米），带宽为200赫兹（1500赫兹）。图3. attoDRY800xs样品区域振动水平测试结果 紧凑的光学低温恒温器attoDRY800xs保留了原始attoDRY800的所有关键优势，例如类似的低振动性能、通过可定制的真空护罩实现的多功能性，以及自动温度控制、气体处理和远程控制。 因此，attoDRY800xs可以直接在其光学平板上建立一个立的实验，也可以将其放置在现有较大的光学台附近，光学元件之间进行光纤耦合。简而言之， attoDRY800xs为您的科学研究提供一个小型紧凑但功能依然强大的光学低温平台。 attoDRY800xs主要技术特点：☛ 只需要17英寸x28英寸的实验室空间☛ 光学面包架和闭式循环低温恒温器地结合在一起☛ 宽温度范围（3.8 K… 300 K）☛ 用户友好、多功能、模块化☛ 与低温消色差物镜兼容☛ 可定制的真空罩☛ 与典型光学桌的高度相同☛ 自动温度控制☛ 包含36根直流电线attoDRY800应用案例：1. InGaN量子点作为单光子源的提升与改进 虽然量子点通常被认为是单光子源的佳候选，但它们的实际性能在很大程度上取决于化学成分。在氮化物量子点的特殊情况下，一方面它们即使在温度高达350 K的情况下可以发射单光子，另一方面它们的发射会显著加宽。为了了解优化其性能的佳方法，Robert Taylor小组（英国牛津大学）对InGaN量子点的光致发光进行了广泛的研究，发现在非性平面上生长的量子点与性氮化物点相比，光谱扩散率降低，寿命显著缩短。由于在配备有ANPxyz101位移台的attoDRY800低温恒温器中进行了低温光致发光测量，这些发现得以实现。【参考】Robert A. Taylor, et al Decreased Fast Time Scale Spectral Diffusion of a Nonpolar InGaN Quantum Dot. ACS Photonics 2022, 9, 1, 275–281 2. 悬浮纳米颗粒的量子控制 attoDRY800不仅能够为量子光学实验提供一个无障碍的实验平台，而且还可以确保非常干净的高真空条件。Lukas Novotny（瑞士苏黎世ETH）团队出色地利用了这些特性，他们次在低温环境中光学悬浮介电纳米颗粒，并实现了对其运动的量子控制。由于在低温环境中抑制气体碰撞和黑体光子发射所提供的低水平的退相干，从而允许将粒子的运动反馈冷却到量子基态，从而实现了这些结果，反馈控制依赖于粒子位置的无腔光学测量，该测量接近海森堡关系的小值，在2倍以内。此外，量子研究的重要性以及Novotny在其中的作用在ETH董事会2021年的年度报告中有所体现。【参考】Lukas Novotny, et al Quantum control of a nanoparticle optically levitated in cryogenic free space, Nature, 595, 378–382 (2021) 3. 增强单光子量子密钥分配 按下按钮即可发射单光子的工程量子光源是量子通信协议的基本组件。为了大限度地提高量子密钥分发的预期安全密钥和通信距离，柏林理工大学（德国柏林）的Tobias Heindel团队开发了一些工具，以优化使用此类工程单光子发射器实现的量子密钥分发性能。利用二维时间滤波，可以优化预期的安全密钥以及通信距离。该小组在一个基本的量子密钥分发试验台上完成了他们的常规工作，该试验台包括一个量子点装置，该装置向一个四端口接收器发送单光子脉冲，分析飞行量子比特的化状态。单光子源安装在光学attoDRY800光学恒温器的冷台上，冷台与光学平台的集成为光学平台上的冷点提供了简单的解决方案。该团队的方法进一步证明了通过光子统计进行实时安全监控，这是量子通信安全认证的重要一步。【参考】Tobias Heindel, et al Tools for the performance optimization of single-photon quantum key distribution.npj Quantum Information , 6, 29 (2020) 4. 易于使用的单光子实验平台 有效地产生单个、不可区分的光子对于光学量子信息处理的发展至关重要。具体而言，按需创建单光子的探索仅限于某些类型的源和技术。为了实现这一目标，Quandela公司提供光学配件和先进的固态源设备，这些设备每秒可发射数百万个量子纯光子。将attocube的闭式循环低温恒温器attoDRY800与Quandela的半导体量子点发射器相结合，可为复杂的实验和协议提供可靠且易于使用的先进固态单光子源。通过这种稳健的设置，很容易使用单光子源按需生成零、一或两个光子的量子叠加加速芯片多光子实验，并证明该技术可用于大规模制造相同的源。【参考】J. C. Loredo, et al Generation of non-classical light in a photon-number superposition，Nature Photonics ,13, 803–808(2019) 5. 高压下的纳米量子传感器 压力会影响从行星内部的性质到量子力学相位之间的转换等现象。然而，在高压实验装置（如金刚石砧座单元）中产生的巨大应力梯度限制了大多数常规光谱学技术的应用。为了应对这一挑战，由三个小组（按字母顺序）立开发了一种新型纳米传感平台：Jean-Francois Roch小组（法国巴黎大学）、Sen Yang小组（中国香港中文大学）和Norman Yao小组（美国加州大学伯克利分校）。研究人员利用集成在砧座单元中的量子自旋缺陷，在端压力和温度下以衍射限的空间分辨率检测到了微小信号。为此，Norman Yao及其同事使用了台式集成闭合循环attoDRY800低温恒温器，这是快速控制金刚石砧座温度的理想平台，同时提供了大的样品室和自由光束通道。【参考】N.Y.Yao, et al Imaging stress and magnetism at high pressures using a nanoscale quantum sensor,Science 2019:366, 6471,1349-1354 6. 低温拉曼研究气相沉积的二维材料NiI2晶体磁学性质 范德瓦尔斯磁性材料的发现引起了材料科学和自旋电子学界的大关注。制备原子厚度以下的超薄磁性层是一项具有挑战性的工作。纳米科学中心的谢黎明研究员团队报道了气相沉积的NiI2范德华晶体，在SiO2/Si衬底上生长的二维NiI2薄片为5−40纳米，在六角氮化硼（h-BN）上可生长原子层厚度的晶体。随温度变化的拉曼光谱揭示了生长的二维NiI2晶体中的磁性相变。该研究工作使用attoDRY800光学低温恒温器进行了样品冷却，低温物镜（LT-APO/VIS/0.82）用于激光聚焦和信号采集。这项工作为外延二维磁性过渡金属卤化物提供了一种可行的方法，也为自旋电子器件提供了原子层厚度的材料。【参考】Liming XIE, et al Vapor Deposition of Magnetic Van der Waals NiI2 Crystals, ACS Nano 2020, 14, 8, 10544–10551. 7. 范德华异质结构中局域层间激子间的偶相互作用 虽然自由空间中的光子几乎没有相互作用，但物质可以调解它们之间的相互作用，从而产生光学非线性。这种单量子水平上的相互作用会导致现场光子排斥，对于基于光子的量子信息处理和实现光的强相互作用多体态至关重要。美国Ajit Srivastava课题组报道了异质双层MoSe2/WSe2中电场可调的局部化层间激子之间的排斥偶-偶相互作用。具有平面外非振荡偶矩的单个局部化激子的存在将二激发的能量增加约2 meV：大于发射线宽的一个数量，对应于约7 nm的偶间距离。样品被装入闭循环低温恒温器attoDRY800中，课题组自制了低温（~ 4K）显微镜进行PL测量。在较高的激发功率下，多激子络合物以较高的系统能量出现。该发现是朝着创建激子少体和多体态迈出的一步，例如范德华异质结构中具有自旋谷旋量的偶晶体。 【参考】Ajit Srivastava, et al Dipolar interactions between localized interlayer excitons in van der Waals heterostructures, Nature Materials, 19, 624–629(2020) 8. 单层WS2范德华异质结构腔中的光吸收 单层过渡金属二卤化物（TMD）中的激子控制着它们的光学响应并显示出由寿命限制的光−物质强相互作用。虽然各种方法已被应用于增强TMD中的光激子相互作用，但所达到的强度远远不足，并且尚未提供其潜在物理机制和基本限制的完整图片。西班牙Koppens课题组介绍了一种基于TMD的范德瓦尔斯异质结构腔，它提供了在超低激发功率下观察到的近100%激子吸收和激子复合物发射。低温恒温器attoDRY800为光谱吸收实验提供了不同的温度条件（4K-300K）。实验的结果与描述光的激子−空腔相互作用的量子理论框架完全一致。研究发现，辐射、非辐射和退相衰变率之间的微妙相互作用起着至关重要的作用，并揭示了二维系统中激子的普遍吸收定律。此增强型光−激子相互作用为研究激子相变和量子非线性提供了一个平台，为基于二维半导体的光电子器件提供了新的可能性。 【参考】Frank H. L. Koppens, et al Near-Unity Light Absorption in a Monolayer WS2 Van der Waals Heterostructure Cavity, Nano Lett. 2020, 20, 5, 3545–3552图4：低振动无液氦磁体与恒温器—attoDRY系列，超低振动是提供高分辨率与长时间稳定光谱的关键因素。

记者：2008年1月，在547名两院院士投票评选出的2007年中国和世界十大科技进展新闻中，各有一条涉及“光子”这一领域。一条是中国科学家“实现六光子薛定谔猫态”，另一条是法国科学家“成功追踪到光子活动”。您怎么看这一“巧合”？ 　　刘旭：我觉得有两层含义。一是呈现出光学工程学科发展的重要趋势。在国际光子学前沿领域中，一些新理论和新方法的发展拓展了光学工程学科前沿基础研究的领域及方向，光学工程学科将在微观与介观光学领域产生很多原创性的研究成果。同时，现代信息社会的发展对光学工程学科提出了更多、更高的工程技术需求，将促进光学工程学科高速发展，并呈现多元化发展的态势。 　　二是凸显出光学工程技术在信息化进程中的重要作用。因为具有比电子带宽宽、容量大、安全性高、电磁干扰小、速度快、材料廉价等多重优点，人们普遍认为21世纪是光的世纪。作为人类与信息的基本界面技术，光学工程技术被广泛应用于长距离，大容量光通信、光存储、光显示、光互联、光信息处理、光子医疗和军事武器装备以及先进防御系统中，预期还会在未来的光计算中发挥重要作用。 　　 记者：在光学工程这些最前沿的领域，我们实验室开展了哪些研究？ 　　 　　刘旭：我们实验室一直是将发展国家急需的先进光学仪器技术作为主要工作。包括从应用研究层面开拓新型光学仪器技术研究、大力开展光学器件与仪器技术的产业化推广应用两个方面。因此，实验室始终把目标定位在将光学工程基础研究、应用基础研究与工程技术研究有机结合，拓展现代光学与光子技术及仪器技术的新领域、促进我国光学技术与光电产业的发展上面。目前，实验室主要有精密光学仪器与检测技术和微纳光子技术及器件两个研究方向。 　　记者：目前这些研究进展如何？ 　　刘旭：近几年来，我们实验室在光纤传感关键技术、微纳光纤及其器件、负折射率介质和光子晶体、高清晰度液晶投影显示技术及系统、多功能高集成度光电子集成器件等方向上开展研究，取得了突出进展。 　　纳米光纤技术原创性研究成果在国内外产生重要影响，成为当前光子学方向的研究热点之一。现已在纳米光纤谐振腔以及增益介质型纳米光纤、微光纤激光等方面的研究取得突破性进展；在液晶投影光学引擎与元件技术研究上实现突破，研制出一系列填补国内空白的投影显示设备；在光子晶体与人工负折射介质研究中取得诸多进展，发表了大量高水平的研究论文；在生物光子检测技术上，在国内首次获得人眼底活体视网膜高分辨层析图像，取得了优于商业化产品（ZeissHumphrey第三代眼底OCT仪）的满意结果，成果属世界前列水平；在精密光学检测和加工设备方面，实验室与国际著名企业合作研制成功分辨率为1微米的12英寸硅片一次曝光镜头，填补国内空白并达到国际先进水平。 　　记者：国内大学很多实验室主要的工作是进行基础研究和应用基础研究，我们实验室把很多精力放在光学器件与仪器技术的产业化推广上，您是怎样考虑的？ 　　刘旭：基础研究的成果不进行转化，不进行推广应用无异于纸上谈兵。学科建设与服务国家需求是密不可分的，特别是作为我国光学仪器领域唯一的国家重点实验室，只有将实验室的研究成果，转化成国家经济社会发展和国防建设迫切需要的技术和产品，推进相关产业的发展，才能起到示范和带头作用。一直以来，我们实验室以国家的需求为目标，从国家发展急需的先进光学仪器技术入手，确定研究方向，开展基础研究，攻克技术难题，再以取得的成果为国家和社会服务。 　　前面我介绍的几个研究方向都是我们紧密结合国家经济建设重大需求和学科国际前沿发展趋势，承担和完成的重大科研任务。像我们实验室研制完成的具有自主知识产权并为国家发展所急需的光纤传感技术和核心传感器件；液晶投影光学引擎与元件技术研究，推进了国家投影显示产业的发展，使我国成为投影显示光学元件产业的大国。国家计委产业化专项“数码彩色激光打印技术”，填补了我国数字图像彩扩与激光打印技术的空白，并且成功实现产业化，推进了我国数码产业的发展。 　　在推动地方社会经济发展方面，针对近几年长三角光学产业主要依靠承接国外光学加工订单，科技含量低、缺乏发展后劲的现状，我们实验室在精密光学检测和加工、数码彩扩、高分辨电光投影显示、光学相干层析成像技术（OCT）、正电子发射断层成像（PET）、阵列波导光栅（AWG）波分复用等光电集成器件方面开展研究，这些新的光学技术带动了区域光电产业的发展，成为区域经济新的增长点。我们实验室先后与与浙江舜宇集团、浙江水晶光电、富通集团、宁波永新、上海嘉光等国内主要的光学产业集团进行产学研合作，支持了长三角地区诸多光学产业的发展，形成了长三角光学产业群。 　　记者：那么，基础研究成果的产业化应用如何进一步推进科学研究和学科的发展？ 　　刘旭：近5年，我们实验室共承担国家及省部级科研项目135项，100万元以上的重大横向科研项目14项，总经费逾亿元，其中国家级经费占一半。技术转化产生的经济效益达8亿元以上。 　　在这些重大项目的支持下，我们实验室得以成功组建了一支学位层次高、整体科研能力强、年龄结构合理的学术队伍。 　　记者：浙江大学现代光学仪器国家重点实验室是在光学工程国家重点学科点建立起来的，近年来学科的发展也非常令人瞩目。作为这个学科的负责人，您认为靠什么来保持实验室和学科不断进步的活力？ 　　刘旭：浙江大学光学工程学科在近几年的评估中名次逐年上升，从2002年的全国第四名，2004年的全国第二名，到2006年的全国第一名。推进学科和实验室建设与发展的因素很多，我觉得最大的活力来自于我们成功组建了一支与学科发展相适应的人才队伍。 　　科学研究最重要的是人才。特别是由前沿研究方向的优秀人才组成的具有国际竞争力的高水平学术团队和学术素质高、科研水平好、视野与国际接轨、具有较强科学研究与工程应用原创能力的教学科研队伍至关重要。我们充分利用学校学科门类齐全的综合优势，注重引进不同学科背景的教师加盟，形成交叉综合的优势。我们还加强与校内计算机、化学、机械、农业及信息电子等学科的交叉研究，形成新的学科增长点，凝练新的学科发展方向。 　　记者：浙江大学光学工程学科被誉为“中国光学工程人才培养的摇篮”。实验室在人才培养方面的情况如何？ 　　刘旭：优秀的硕士及博士研究生也是我们实验室的新鲜“血液”，在这里，他们既是学生，也是科研工作者，许多科研成果的取得，都有他们的功劳。在对他们的培养过程中，我们特别注重科研和动手能力的培养，依靠项目资助和自筹资金建立了研究生创新实验教育平台。我们建立了博士生读书报告制度，培养博士生跟踪和融入学科研究前沿的能力。重视加强研究生培养的国际化步伐，每年都会选派几名研究生到国际一流大学和研究机构进行联合培养。 　　同时，我们先后在宁波理工学院和浙江大学城市学院开办专业方向，为地方培养人才；为兵装集团开办培训班，促进军队现代化建设；开办光学设计、光学薄膜培训班，为全国企业人才提供深造机会。 　　记者：实验室的目标是建设成为在国内外具有重要影响的现代光学仪器研究基地。您觉得目前实验室与国际相关领域知名的研究机构相比还有哪些差距？怎样去缩小这些差距？ 　　刘旭：应该看到我们仅仅是在主要点上达到了国际先进水平，在很多方面，如思想理念、研究人员队伍，以及科学研究的活力等与国际知名实验室相比，还有相当距离。 　　今后，我们以国际知名实验室为目标，加大实验室队伍人才培养的力度，加大对国际知名学校博士学位获得人员的引进力度，着力吸引著名高校特别是国际知名大学的博士加入研究人员队伍，改进我们的研究人员结构，促进队伍的建设与国际视野的进一步提高。同时，努力提高实验室研究实力与战略视野，通过更广泛的国际国内合作，提高科研水平与规模，努力寻求社会资源，使本实验室更好、更快的发展，为国家的经济建设与现代化事业做出更大的贡献。 　　编者按 　　现代光学仪器国家重点实验室在光纤传感关键技术、微纳光纤及其器件、负折射率介质和光子晶体、高清晰度液晶投影显示技术及系统、多功能高集成度光电子集成器件等方向上开展研究，取得了突出进展。 　　纳米光纤技术原创性研究成果在国内外产生重要影响，成为当前光子学方向的研究热点之一。现已在纳米光纤谐振腔以及增益介质型纳米光纤、微光纤激光等方面的研究取得突破性进展；在液晶投影光学引擎与元件技术研究上实现突破，研制出一系列填补国内空白的投影显示设备；在光子晶体与人工负折射介质研究中取得诸多进展，发表了大量高水平的研究论文；在生物光子检测技术上，在国内首次获得人眼底活体视网膜高分辨层析图像，取得了优于商业化产品（ZeissHumphrey第三代眼底OCT仪）的满意结果，成果属世界前列水平；在精密光学检测和加工设备方面，实验室与国际著名企业合作研制成功分辨率为1微米的12英寸硅片一次曝光镜头，填补了国内空白并达到国际先进水平。

2023年7月7日，西安市飞行器光学成像与测量技术重点实验室(简称“重点实验室”)揭牌仪式暨首届学委会会议在中国科学院西安光机所举行。西安市科技局成果转化与校地合作处处长解中，西安光机所党委书记、副所长孙传东，重点实验室主任曹剑中、学委会主任周军以及学委会委员，西安光机所相关科技管理人员约30人参加会议。会议由重点实验室执行主任陈卫宁和学委会主任周军分阶段主持。 　　孙传东在致辞中表示，飞行器光学成像与测量学科为我国火箭、空间站及飞船等领域的光学测量做出过巨大贡献，西安光机所在空天光电成像载荷领域已经成为主力军。他感谢受邀承担学术委员的各位专家，恳请学委会大力指导与帮助，使实验室起好步、建设好。他表示西安光机所作为依托单位一定按照市科技局要求，做好该重点实验室建设的各项保障工作，充分发挥重点实验室对于研究所学科建设、人才培养和成果产出的重要支撑作用。 　　解中宣读了重点实验室认定通知，她对西安光机所在飞行器测量等领域取得的成就给予了高度评价，她表示将持续支持西安光机所，鼓励各类科研成果转化为实际生产力，也希望研究所未来产出更多的科研成果，为地方经济发展和国家重大科技项目提供更有力的服务。 　　随后，解中、孙传东、周军、曹剑中共同为重点实验室揭牌，孙传东为学委会委员颁授聘书。周军代表学委会致辞，他表示学术委员会将群策群力，把握重点实验室发展规划，为重大学术活动提供学术指导和咨询建议，为推动我国空天飞行器光学成像与测量技术的发展进步积极贡献力量。 　　揭牌仪式结束后，陈卫宁对重点实验室申报过程及目前研究现状和发展规划作汇报。各位学术委员会委员围绕重点实验室发展规划开展了热烈的讨论。他们结合就重点实验室的方向定位、基金规划、人才推进、领域合作等问题展开深入研讨，并给出三点重要建议：一是进一步细化研究领域和方向定位；二是利用重点实验室平台加强创新研究，解决新难题；三是对重点实验室成员提出要有更明确的任务规划和预期研究成果产出。首届学委会会议将进一步推动重点实验室健康发展，提升我国在飞行器光电成像载荷领域的科研能力和技术水平，为推动科技进步、服务国家战略做出进一步的贡献。 　　最后，曹剑中表达了对市科技局支持重点实验室认定、对学委会委员长期以来的关心指导和实验室各位同仁的辛勤付出表示感谢，对给予支持的研究所领导和职能部门表示感谢。他表示，作为国家创新体系的重要组成部分，重点实验室在新的起点将以更高的标准、更好的质量推动科学研究工作，实现科技创新成果最大化，报效国家、服务地方。 　　西安市飞行器光学成像与测量技术重点实验室的成立，标示着西安光机所在飞行器光学成像与测量技术领域将开启新篇章。当日下午，由重点实验室和中国科学院青促会西安光机所小组共同承办的学术论坛获得圆满举行，内容涉及空间观测、航天器智能视觉、航空遥感测量等领域面临的技术需求和挑战，为飞行器光学成像与测量领域最新需求和研究进展搭建了良好的交流平台。揭牌仪式。