虚拟专题：激光器发明60周年
激光的产生起源于爱因斯坦提出的受激辐射概念。1960年，西奥多•梅曼（Theodore H. Maiman）成功制造出了世界上第一台在红光谱区发射激光（λ= 694.3 nm）的红宝石激光器。在以后的研究中，通过激光频率转换技术，非线性光学晶体可将常见波段的激光（如近红外1064 nm 激光）转换至新的波段，实现紫外、中远红外乃至太赫兹波段激光的输出。激光器的诞生对人们的生活带来了重大影响，为纪念激光器诞生60周年，编辑部特从《物理学报》近年刊发的与激光器研究方向相关的文章中精选汇集如下，以飨读者。（2020年6月）
2018, 67 (11): 114203.
doi: 10.7498/aps.67.20180189
摘要 +
非线性光学晶体能对常见波段的激光进行频率转换，从而获得宽波段、可调谐的激光光源.此类光电功能材料在军事和民用领域具有重要的战略价值和应用价值.经过30多年的发展，应用于可见光及邻近波段的非线性光学晶体技术已经基本成熟，但深紫外和中远红外波段的非线性光学晶体技术的发展仍存在诸多不足，还需要在这些波段进行新型优质的非线性光学晶体探索.近年来，为了改变传统低效的炒菜式实验探索，加快新材料研发速度，基于密度泛函理论的第一性原理计算方法在新型非线性光学晶体探索中得到了广泛的应用.本文总结了近几年深紫外和中红外波段非线性光学晶体的新进展，通过介绍几种新型非线性光学晶体材料的研发过程，突出了第一性原理计算在新材料探索过程中起到的关键作用；探讨了非线性光学晶体研发的研究难点与趋势，以及第一性原理方法在未来新材料探索中的重点攻关方向.
2018, 67 (24): 244203.
doi: 10.7498/aps.67.20181591
摘要 +
3–5 μm和8–12 μm波段中远红外激光，在国防和民用领域均具有广泛的应用.作为全固态激光频率转换系统的核心部件，非线性光学晶体需要不断地优化和发展.本文从红外非线性光学晶体材料组成角度出发，总结了几种具有重大应用前景的磷族化合物（ZnGeP2，CdSiP2）、硫属化合物（CdSe，GaSe，LiInS2系列，BaGa4S7系列）以及准位相匹配晶体（OP-GaAs，OP-GaP）等中远红外波段非线性光学晶体的研究进展.
2019, 68 (2): 024208.
doi: 10.7498/aps.68.20182145
摘要 +
利用非线性光学(NLO)晶体材料和变频技术, 可以把波长范围有限的激光光源扩展到紫外、深紫外区, 这已成为深紫外光源的热点研究方向. 然而, 目前限制深紫外全固态激光器发展和应用的关键问题是缺乏能够在该波段进行频率转换并且产业化应用的NLO晶体材料. 因此, 该领域的各国科学家都在积极探索并发展新一代的深紫外NLO晶体材料. 目前仅有KBe2BO3F2 (KBBF)晶体能够实现Nd:YAG的直接六倍频深紫外激光(波长为177.3 nm)输出. 然而, KBBF晶体存在严重的层状生长习性, 并且其原料氧化铍有剧毒, 从而极大地制约了其商业化生产和应用进程. 根据阴离子基团理论, 以BO3基团为基本结构单元形成的类[Be2BO3F]层状结构特征仍然是目前最有利于产生深紫外谐波的适宜结构之一, 因此, 基于KBBF层状结构进行分子工程设计, 并开发类KBBF结构的硼酸盐可能是探索新材料的优选策略. 本文通过回顾类KBBF结构硼酸盐深紫外NLO晶体的发展历程, 系统梳理该类晶体材料层状结构特点、不同层间连接方式和光学性能, 分析限制深紫外NLO晶体发展的主要因素, 讨论目前发展类KBBF结构硼酸盐深紫外NLO晶体材料的主要矛盾和解决策略, 以期对未来新材料的创新探索提供借鉴.
2019, 68 (18): 188101.
doi: 10.7498/aps.68.20190751
摘要 +
石墨烯以其独特的光电特性打开了二维纳米材料的大门, 随后拓扑绝缘体、过渡金属硫化物、黑磷等二维材料相继被报道, 这些材料由于具有良好的非线性光学特性, 可用作被动饱和吸收体来产生脉冲激光. 本文总结了近年来基于二维材料的光纤激光器和固体激光器的研究状况, 从激光器的中心波长、脉宽、重复频率、脉冲能量和输出功率等基本参数对发展现状进行了阐述, 最后进行了总结和展望.
2018, 67 (18): 184203.
doi: 10.7498/aps.67.20180877
摘要 +
相较于相干光束，部分相干光束经过湍流大气传输能够有效地抑制湍流引起的光束展宽、光斑漂移及光强闪烁等扰动效应，在自由空间光通信、激光雷达和激光遥感等方面有重要的应用前景.近年来，部分相干光束湍流大气传输研究受到越来越多学者的关注.本文回顾了部分相干光束在湍流大气中传输特性研究的发展历程、理论基础及常用的理论方法，介绍了处理光束经过湍流大气传输的相位屏数值模拟方法，以及如何把该方法运用到处理部分相干光束传输.
2018, 67 (21): 214204.
doi: 10.7498/aps.67.20181227
摘要 +
近年来，随着激光技术的快速发展，相继产生了多种在远距离传输后中心光斑保持不变的无衍射光束，包括贝塞尔光束、高阶贝塞尔光束、马丢光束、高阶马丢光束、余弦光束、抛物线光束以及艾里光束.无衍射光束在激光打孔、激光精密准直、光学精密控制、光学微操控、光通信、等离子体导向、光子弹产生、光通信、自聚焦光束的合成以及非线性光学等领域中有着广泛的应用.本文介绍了各类无衍射光束的数学表达式、产生方法及对应的实验结果；就无衍射光束的特性和应用进行了归纳和讨论；并对其在未来的研究与应用前景中发挥的重要作用进行了简要总结与展望.
2020, 69 (9): 096801.
doi: 10.7498/aps.69.20200083
摘要 +
基于磁二色效应的光发射电子显微镜磁成像技术是研究薄膜磁畴结构的一种重要研究手段, 具有空间分辨率高、可实时成像以及对表面信息敏感等优点. 以全固态深紫外激光(波长为177.3 nm; 能量为7.0 eV)为激发光源的光发射电子显微技术相比于传统的光发射电子显微镜磁成像技术(以同步辐射光源或汞灯为激发源), 摆脱了大型同步辐射光源的限制; 同时又解决了当前阈激发研究中由于激发光源能量低难以实现光电子直接激发的技术难题, 在实验室条件下实现了高分辨磁成像. 本文首先对最新搭建的深紫外激光-光发射电子显微镜系统做了简单介绍. 然后结合超高真空分子束外延薄膜沉积技术, 成功实现了L10-FePt垂直磁各向异性薄膜的磁畴观测, 其空间分辨率高达43.2 nm, 与利用X射线作为激发源的光发射电子显微镜磁成像技术处于同一量级, 为后续开展高分辨磁成像提供了便利. 最后, 重点介绍了在该磁成像技术方面取得的一些最新研究成果: 通过引入Cr的纳米“台阶”, 成功设计出FePt的(001)与(111)双取向外延薄膜; 并在“台阶”区域使用线偏振态深紫外激光观测到了磁线二色衬度, 其强度为圆二色衬度的4.6倍. 上述研究结果表明: 深紫外激光-光发射电子显微镜磁成像技术在磁性薄膜/多层膜体系磁畴观测方面具备了出色的分辨能力, 通过超高真空系统与分子束外延薄膜制备系统相连接, 可以实现高质量单晶外延薄膜制备、超高真空原位传输和高分辨磁畴成像三位一体的功能, 为未来磁性薄膜材料的研究提供了重要手段.
2019, 68 (17): 173202.
doi: 10.7498/aps.68.20190790
摘要 +
激光与原子、分子相互作用的高次谐波是产生超短阿秒脉冲和相干高频XUV光源的重要手段之一. 为了产生高强度的XUV光源, 需要对谐波产生机制深入研究. 本文通过数值求解含时薛定谔方程, 计算了不同空间位置的含时偶极矩进而得到不同空间位置的高次谐波发射. 对不同空间位置的谐波发射谱的分析发现, 谐波发射的主要空间位置在核区附近, 不同空间位置的谐波中奇次和偶次谐波均能被观察到, 整数阶谐波能量辐射强度较大. 进一步研究不同空间位置的谐波相位发现, 在x = 0左右两侧发射的奇次谐波相位相同, 偶次谐波相位相反. 通过滤波方法分析了不同空间位置的相同次谐波的含时偶极矩信息, 发现该相位特征导致了奇次谐波的增强, 偶次谐波的消失.
2019, 68 (21): 214207.
doi: 10.7498/aps.68.20190789
摘要 +
利用超构表面结构实现硅介质内局域电磁场的极大增强, 进而实现强烈增强的三次谐波激发(THG). 该超构表面结构由L形的单晶硅共振子组成, 通过调节抽运波长与超构表面共振波长重合, 可以实现最高220倍的THG增强, THG的转化效率提升至～ 3 × 10–7. 数值模拟和THG信号的空间扫描结果表明, 场增强主要源于超构表面结构中心区域处的共振模式耦合效应. 此外, 实验结果表明该结构的共振模式具有明显的偏振选择性, 且THG信号同样为线偏振光, 消光比为15 dB.
2020, 69 (7): 077801.
doi: 10.7498/aps.69.20191816
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拓扑半金属磷化钼(MoP)同时具有三重和二重简并费米子. 为了研究其费米面以上的激发态超快动力学特性, 对其进行了时间分辨超快泵浦-探测实验. 获得了MoP的准粒子动力学, 包含来源于电子-声子散射的快分量, 寿命为0.3 ps, 以及来源于声子-声子散射的慢分量, 寿命为150 ps. 温度依赖的研究表明, 快分量和慢分量的弛豫寿命均随着温度的增加产生微小增大. 同时还激发并探测到一支相干态声学支声子, 其由热应力引起, 频率为0.033 THz且不随温度而改变. 对于MoP激发态准粒子超快动力学以及相干态声子的研究为理解该体系总体的激发态超快动力学特性以及电子-声子相互作用对温度的依赖提供了有益的实验依据.
2020, 69 (20): 207801.
doi: 10.7498/aps.69.20200031
摘要 +
超快激光可以用来产生和调控拓扑量子材料中的拓扑相变和自旋极化电流, 这些光诱导产生的新奇物性源于材料中受到体系对称性保护的线性色散能带结构的简并节点. 作为一种同时具有两重和三重简并节点的拓扑半金属, 磷化钼(MoP)是一类非常独特的拓扑半金属体系. 本文初步探索了三重简并拓扑半金属晶体MoP中产生自旋极化电流和奇异光学响应的机理, 设计并搭建了以圆偏振光产生并调控光电流的实验装置. 首先采用该装置成功在拓扑绝缘体Bi2Se3中产生了光电流, 与国际上已报道的实验结果对比效果很好, 证明了实验装置的可行性和可靠性; 进而对MoP进行了同样的光电流产生与调控实验. 采用400 nm的圆偏振超快激光脉冲, 在样品不同位置成功观测到了电流信号, 分析认为其为热电流, 不是与三重简并拓扑特性相关的光电流. 这为未来进一步产生和调控光电流提供了重要的研究基础, 对于研究普遍的拓扑量子材料的光电流效应具有可借鉴的意义.
