近日，厦门大学电子科学与技术学院罗正钱教授课题组在可见光超快光纤激光研究中取得重要进展，相关成果以“Towards visible-wavelength passively mode-locked lasers in all-fibre format”为题发表在国际光电子学权威期刊《Light: Science & Applications》（Light: Science & Applications 9:61,2020）上。

　　相比价格昂贵/体积庞大的钛宝石飞秒激光器，锁模皮秒/飞秒光纤激光器具有小型化、光束质量好、稳定性佳、低成本且免维护等优点，在激光材料加工、国防军事、生物医学、精密测量、生物光子学、超快光谱学、光通信、科学研究等重要领域有着广泛的应用。然而，目前被动锁模光纤激光器工作波段仍主要局限在近红外1-2 μm光谱区域，在可见光波段（380-760 nm）却几乎未有进展。如何实现可见光被动锁模光纤激光器，直接产生小型化、低成本且高性能的可见光超快激光，是一直困扰超快激光研究领域的一个难题。在这项研究中，罗正钱教授课题组通过数值求解金兹伯格-朗道方程，发现耗散孤子谐振机制利于可见光波段超大色散光纤腔被动锁模脉冲的稳定建立(如图1)。

　　图1.可见光被动锁模光纤激光器的数值模拟结果。（a）脉冲演化；（b）相应的光谱演化；（c）脉冲时域波形（实线）和相应的频率啁啾（虚线）；（d）锁模激光光谱

　　基于数值模拟的结果，课题组采用Pr/Yb共掺ZBLAN光纤作为可见光增益介质，利用非线性放大环镜作为锁模器，首次实验实现了小型化可见光被动锁模光纤激光器，获得锁模中心波长为635 nm（红光）的皮秒脉冲激光（见图2）。该研究成果是在可见光范围内向小型化超快光纤激光器迈出的重要一步。将为可见光超快光纤激光在精密光谱学、生物医学、显微成像、光通信、科学研究等领域的应用奠定基础，具有很好的研究潜力和应用价值。

　　图2.(a)可见光全光纤被动锁模激光器的实验装置图，(b-e)在93 mW泵浦功率下锁模光纤激光器的输出特性

　　厦门大学为该论文的第一署名单位，电子科学与技术学院博士研究生邹金海为论文第一作者，罗正钱教授为论文通讯作者。该研究受到国家自然科学基金、军委装备预研基金、福建省杰出青年基金、福建省特支‘双百’青年拔尖人才项目以及厦门大学南强青年拔尖人才项目的支持。

　　在抗击新冠疫情的战役中,检测试剂盒一直发挥着关键作用,为有效遏制疫情的蔓延,尽早发现确诊病例,新冠肺炎(2019-nCoV)IgM/IgG抗体检测试剂盒(胶体金法)等POCT即时检验(point-of-care testing)类检测试剂卡已被广泛使用。

　　随着广大企业的开始逐渐复工,新冠肺炎(2019-nCoV)IgM/IgG抗体检测试剂盒需求量也不断增多。国内具备生产新冠肺炎(2019-nCoV)IgM/IgG抗体检测试剂盒能力的POCT类企业订单显著飙升。如何快速安全生产生产产品并及时交付市场使用,是这类企业急需解决的问题。

　　在POCT类检测试剂卡的生产环节中,唯一的UDI标识和定制化需求是生产环节中不可或缺的部分,也是部分企业生产的薄弱环节。许多人会想到用激光蚀刻UDI标识。如何在POCT类产品上高效实现激光无油墨打印呢?

　　01为什么要采用激光打标?

　　POCT测定试剂卡主要原料是高分子材料(PVC、PP、ABS、HIPS等)。这些材料一般具有以下特点:

　　(1)具有良好的物理力学性能、化学稳定性;

　　(2)来源丰富、价格低廉,适合制成一次性医疗用品;

　　(3)加工方便、制造成本低,适合多种成型方式,便于加工成复杂的形状和开发新产品。

　　而采用激光加工,可以充分利用高能量促使塑料本身表面碳化或使表面某些成分分解产生坯体使塑料发泡,从而让激光作用部分的塑料颜色与非作用区出现色差而形成标识,相比油墨印刷,其标识效果更好,生产效率更高。

　　02激光器的选择和作用机理

　　医疗器械唯一标识UDI(Unique Device Identification)是产品供应链中的唯一“身份证”,通常会用QR、DM、CODE46和CODE16K等变量码或定制码作为唯一标识。这类标识对印刷的清晰度和精度要求高,且为一物一码,对数据管理有着重要作用。

　　(瑞丰恒紫外固体激光器在POCT核酸检测试剂卡的标记)

　　激光在高分子材料标记中能够起到关键作用,通过不同固体激光器工艺调试将激光作用在PVC、PP、ABS、HIPS等高分子材料上产生不同的物理和化学变化,通过产生色差提升标识的对比度,从而大大提高标记清晰度和精度。

　　03瑞丰恒紫外激光器在医疗器械的应用

　　作为波长355nm专为高分子材料标记量身打造的高能固体激光器,瑞丰恒的Expert Ⅱ 355nm 紫外激光器已应用于POCT核酸检测试剂卡的标记中。

　　瑞丰恒Expert Ⅱ 355nm 紫外激光器重复频率覆盖范围宽(单脉冲至200kHz),可被材料较好的吸收,且对材料破坏性小,无菌0污染,标识码永不脱落,字迹清晰易辨识,助力核酸测试剂卡的防伪及全程溯源,很适合对精度有较高要求的医疗器械等的表面打标。

　　同时其拥有优越的光束质量(M2<1.2),在所有频率范围内都严格保证;脉冲宽度<20ns@30k,加工时热影响区域很小,并且支持数字智能电源控制,操作简单,上手成本低,能够满足企业快速投产的试剂盒生产需求。

　　带有高精度、高清晰度UID标识的POCT类检测试剂卡,将成为厂商产品的有效竞争力。高质量的UID标识,不仅能有效帮助消费者鉴别假冒伪劣产品,更能帮助企业面对试剂盒出海的审核压力,大大提高产品出海的效率。

4月24日，中核集团原子能院核物理所强流粒子束与激光研究室自主研制的便携式核材料激光甄别仪（样机）顺利完成应用验证，成功从标准样品、矿石等测试材料中快速识别出燃料铀、矿石铀等含铀材料。该装备是国内首台用于核材料甄别的激光等离子体光谱应用装备，与传统核安保取证手段相比，可将检测时间从数小时缩短至十秒以内，指标与国外同类装置相当。

氧化铀核燃料芯块的光谱识别图

便携式核材料激光甄别仪采用激光光谱技术实现对核材料的识别，利用激光激发待测物的等离子体光谱，从中识别铀、钚等目标元素的特征谱线，实现含铀、含钚核材料的快速甄别，在不明物质识别、核安保取证、辐射安保、物矿探测等领域具有广泛应用前景。

装置实验室应用验证现场

便携式核材料激光甄别仪采用背负式结构，可兼顾实验室环境和外场测试对核安保装备的需求，是原子能院继气溶胶颗粒物成分LIPS（激光诱导等离子体光谱）连续监测装置后，又一款投入应用验证的激光等离子体光谱应用装备，充分展示了激光光谱技术立足于核工业需求、服务于核工业发展的应用潜力。

近日，北京大学信息科学技术学院电子学系、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超副教授课题组与美国麻省理工学院物理学系马林·索尔贾希克教授、宾夕法尼亚大学物理与天文学系甄博助理教授合作，从拓扑光子学视角提出一种在单层硅基板上不依靠反射镜而实现定向辐射的新方法。相关研究成果《拓扑保护的单向导模共振态观测》日前在线发表于《自然》。

单向辐射作为实现大规模光子集成和光子芯片的关键技术之一，广泛应用于高性能光栅耦合器、高能效激光器及激光雷达光学天线等，目前大多通过分布式布拉格光栅反射镜、金属反射镜等镜面反射实现。然而，片上集成时，反射镜不仅体积大、结构复杂、加工难度高，还会引入额外的损耗和色散。

针对这一集成光子器件研究中亟待解决的关键问题，彭超等人从拓扑荷操控出发，在光子晶体平板中实现了单向辐射的特殊谐振态，即单侧辐射导模共振态，在一维光子晶体中通过倾斜侧壁同时破缺结构垂直对称性和面内对称性，使体系中连续区束缚态所携带的整数拓扑荷分裂为一对半整数拓扑荷，并在平板上、下两侧表面产生大小不等的辐射。

此时，维持对称性破缺，通过调控参数将一侧表面的成对半整数拓扑荷重新合并成整数拓扑荷，形成不依赖镜面仅朝一个表面辐射能量的UGR态。联合课题组利用自主发展的倾斜刻蚀工艺制备样品，实验上观测到非对称辐射比高达27.7dB；这就意味着超过99.8%的光子能量朝一侧定向辐射，较传统设计提高了1~2个数量级，从而有力证明了单向辐射导模共振态的有效性和优越性。该技术有望显著降低片上光端口的插入损耗，大幅推动高密度光互连和光子芯片技术的发展。

一直以来，是否采用激光雷达都是区分自动驾驶技术派系的「三八线」，相比 Waymo、Cruise 等中规中矩采用激光雷达方案的传统派，马斯克一直秉持着 AI 视觉方案+毫米波雷达取代激光雷达的思路。
这背后的核心原因在于激光雷达有两大致命短板：
一是目前成本十分昂贵。二是在雨雪雾等极端天气下精度会下降的很厉害。
一般来说，一台自动驾驶汽车不只需要一台激光雷达，才能导航并避开包括行人在内的障碍物，之类传感器不仅块头大立在车顶影响美观，而且目前价格也处在 8,000 至 30,000 美元左右。
年初 CES 期间，大疆所收购的 Livox 公司一举推出 599 美元起步的激光雷达产品线，让市场颇为激动。说到底，还是激光雷达太贵了！

近日，学术界传来好消息，来自斯坦福大学工程学院的教授 Jelena Vuckovic 及其团队提出了一种新方法——将车顶那颗难看又显眼的「烟囱」缩小到单颗硅芯片上，并且以数百美元的价格批量生产。
如果这项成果被证明在商业上可行，那么它将有助于开创自动驾驶汽车的新时代。

斯坦福大学工程学院教授 Jelena Vuckovic

Jelena Vuckovic 及其团队的研究成果已经发表于三月份《Nature》的子刊《Nature Photonics（自然 光子学）》，论文题为《Inverse-designed non-reciprocal pulse router for chip-based LiDAR》（逆向设计的片上激光雷达非互易性脉冲路由器）。
所谓激光雷达，实际上是「光检测和测距」的简写，在概念上与雷达相同，只是它使用光代替无线电波来「看到」人眼不可见的事物，根据光脉冲向前发送和光束反射回探测器之间的延迟来测量汽车和物体之间的距离。
与雷达单元相比，激光雷达单元在检测人和狗等生物方面做得更好，但是雷达在穿透雾，烟雾，雨水和其他大气异常方面表现更好。

Vuckovic 教授的研究突破在于：研究人员使用一种称为逆向设计的过程，创建了一种强大的算法，该算法可以沿一个方向向外发送一束红外光，并测量反射回来需要多长时间。这些信息有助于揭示光束路径中的物体。（补充背景：由于硅对红外线是透明的，就像玻璃对可见光是透明的一样。）
换句话说，算法为实际的光子电路绘制蓝图，光子电路执行特定的功能，将激光束发射到汽车前方，以定位道路上的物体，并将反射光反射回探测器。
研究表明，这种以硅为基础的芯片级非互易器件的发展，可能会为光通信和激光雷达（光探测和测距）的应用带来新的非线性器件和系统。
研究团队认为基于χ（3）的互易性器件从根本上受到时间反转对称性和热力学因素的限制，但它们的无源、无偏压，简单的体系结构使其特别适合集成光子学，这对芯片级激光雷达具有特殊的意义。

更小的激光雷达器件如何实现？
这项研究主要基于硅基光电子技术，在上个世纪 80 年代被提出了，并取得了一些成果。但是由于硅的特性，使得硅基有源器件一直无法发展。直到 2004 年 Intel 公司在《nature》上发表硅基 MOS 结构的调制器，真正商业化的硅光技术才开始发展，到目前，硅光技术也得到了迅速的发展。
Vuckovic 教授团队的论文提到，诸如隔离器和循环器之类的非互易性器件是微波和光频通信系统的关键启用技术，将非互易性器件小型化并提高其性能，能够使其在光学通信、信号处理、光谱学和传感领域的广泛应用成为可能。
尽管基于电磁效应的非互易性器件可用于自由空间和光纤通信系统，但它们的片上集成仍然具有挑战性，主要是由于伴随着高插入损耗、弱磁光效应和材料不兼容的缘故。
而新的研究表明，χ（3）非线性器件消除了这种需求，可以在单片集成平台中实现无源、低损耗、无偏置的非互易传输，适用于芯片级激光雷达的应用。
研究团队在研究χ（3）非线性器件的同时，还利用逆设计研究了级联 Fano Lorentzian 谐振器系统，在保持高传输率的同时增加非互易强度范围。

在绝缘体硅平台上实现的级联 Fano-Lorentzian 谐振器的 SEM 图像
目前，绝大多数非线性非互易超表面都基于 Fano 谐振原理，依赖于电磁波与超表面非对称结构的谐振作用，原理简单、实现成本较低。
研究团队设置了两端口 Fano 谐振装置，在谐振器耦合区域的波导中设计了一个部分传输元件（PTE），以在响应函数中创建 Fano 线形。
虽然 PTE 的寄生损耗、固有的腔损耗会严重降低，但是反向设计使他们能够通过 PTE 减轻额外的腔损耗，同时并行管理腔-波导的耦合强度。最后证明，Fano 谐振器所具有的尖锐的线形以及较低的固有损耗仍可以在中等功率水平上提供非互易性传输。
基于级联的非线性谐振，可在较宽的功率范围内工作。与在任何输入功率下工作的线性互易性器件不同，基于单个谐振器的非线性无源器件只能在有限的信号功率（NRIR）范围内导致不可逆传输，而两个谐振器级联器件可以设计成打破 NRIR 内任何功率值的单谐振器界限。

距离测量稳定性如何保证？
除此外，研究团队还演示了非互易基于传输和全光路由的光学测距测量，以确保测量的稳定性。

用于光学测距的实验原理图
为了产生锁模脉冲，研究团队使用光纤环形谐振器，该谐振器由光纤放大器、半导体光放大器、偏振控制器和带通滤波器组成。
锁模是光学里一种用于产生极短时间激光脉冲的技术，脉冲的长度通常在皮秒甚至飞秒。5 MHz 的脉冲重复频率允许测量距离长达 60 m，并且可以使用带通滤波器将脉冲的中心频率调整为 Fano 器件的工作范围。
生成的脉冲流由基于光纤的耦合器分流，一部分脉冲流直接发送到设备端口 1。另一部分脉冲流首先通过光纤延迟线，然后发送到端口 2。鉴于 Fano 谐振器所起的作用，耦合到端口 2 的脉冲流不会传播到端口 1。
而来自端口 1 的脉冲流传输到设备的端口 2。该设备将脉冲流从端口 2 到与 Fano 谐振器耦合的另一个波导中的端口 3。在此处与来自端口 1 的输入脉冲流结合以生成双脉冲流的电信号迹线。

距离与时间的关系图，其中时间增量是参考脉冲周期，显示距离测量的稳定性
研究通过测量距离迹线的放大视图，证明了这种光学距离测量的稳定性。
研究表明，Fano 非互易发射器-路由器设备可以保护脉冲激光源免受反射脉冲流的影响，从而使系统稳定运行，同时将来自这些反射脉冲的光路由到另一个波导。如果另一个 Fano 谐振器串联连接，且延时对应于脉冲宽度的一半，则即使在同时激发的情况下，反射脉冲也可以被隔离。
基于这些发现，研究团队的实验证明已实现的无源非对等发射机和路由器，在完全集成的芯片级激光雷达系统中作为基本组件的可行性。

激光雷达能否大规模运用在无人驾驶汽车
当然，在芯片上建立这种测距机制，只是制造廉价激光雷达的第一步。研究人员表示，目前正在研究下一个里程碑，确保激光束可以旋转而不使用昂贵的机械部件。
该研究的下一步是研制「单芯片激光雷达」，以扩大其覆盖范围，直到包括完整的 360 度圆角，而无需使用机械零件。
Vuckovic 预计，她的实验室离建造一个供道路测试使用的原型机还有大约三年的时间。「我们正朝着制造一个激光雷达芯片的方向发展，这种芯片的价格非常便宜，足以帮助为自动汽车创造大众市场。」
迄今为止，马斯克拒绝使用激光雷达，他说，一套摄像头和雷达传感器可以在没有激光雷达限制的情况下做得更好。如果激光雷达的成本大幅下降，他可能会改变自己的曲调。对于完整的自我驾驶，似乎更多的信息总应该比少好。

原标题：《斯坦福研究登Nature子刊：芯片上实现激光雷达技术，量产价格低至数百美元》

锐科激光的激光焊接。

4月10日，刚刚解除离汉通道管控的武汉，迎来首场重大项目集中开工。光谷东，武汉锐科光纤激光技术股份有限公司的“大功率光纤激光器及关键器件研发基地二期”，在武汉未来科技城打围动建。

“这是企业的蝶变，也是城市的新生。”锐科激光副董事长、总工程师闫大鹏望着脚下的土地，百感交集：“2015年，研发基地一期投用的时候，我们曾笑着说，这个园子将来能干到10个亿就不错了，结果实现这个目标只用了两年。”

2019年，一路高歌猛进的锐科激光，销售收入突破20亿元大关，成为中国最大的光纤激光器研发制造企业。

目前，锐科光纤激光器生产线、特种光纤生产线、半导体激光器生产线、无源器件生产线等十几条生产线，已全面复工。2000多名员工昼夜三班倒，抢回失去的时间。

两年后，总投资5.36亿元的锐科研发基地二期，将建成投用。届时，这束中国之“光”的产值将有望倍增至40亿元。

“解封”10天发走8800万元的货

4月20日，屋外大雨，锐科激光的应用工艺检验车间里，几十台功率不一的光纤激光器却忙得热火朝天，有的焊接，有的切割，光束飞旋。

一名操作员正在给一台8000瓦的光纤激光器“试刀”——3厘米厚的钢板，毫秒间光起“刀”落，跟切豆腐一般。作为20世纪的重大发明，激光历来被称作“最准的尺，最快的刀”。

锐科激光第三事业部研发人员张衍介绍，激光器也称光源，是能发射激光的装置，如同激光的“心脏”。出厂前，这些激光器设备都要经过层层测试。

他走向一台1.2万瓦的光纤激光器，准备焊钢。激光游走的地方，瞬间温度接近5000℃，表面熔化后，两块坚硬的碳钢，已熔为一体。他说，去年，锐科研发的1500瓦手持激光焊接设备，刚试水市场就卖了好几千台。

“现在天天都有客户来，江苏的，山东的，各地都有。”闫大鹏说，虽然疫情打断了企业生产节奏，但激光器市场还是供不应求。

4月8日武汉“解封”后短短十来天，锐科激光发货货值已达8800多万元，爆发力惊人。与去年同期9400万元相比，并未出现大幅下滑。

25家光谷产业链企业协助锐科复工

3月6日，锐科激光正式复工。但好不容易克服重重困难回到生产线，“无米之炊”的尴尬局面又摆在公司面前——一批为锐科配套的产业链企业，尚未拿到复工许可，无法开工。

“声光调制器是脉冲光纤激光器的核心元器件，相当于光开关，没有它激光器就没法出光，正常工作。”光奥科技（武汉）有限公司总经理王威说。

“工业机柜是产品的基础骨架结构件，相当于建房子时的钢筋水泥，所有的光纤元器件及电子设备，须装入其中，才能组成整机产品。”武汉明科机电设备有限公司销售总监周久能说。

——这些企业，都是锐科制造激光器不可或缺的供应商。

“我们是真急坏了。”闫大鹏说，产业链一环扣一环，公司等米下锅，公司下游的设备厂商同样在等我们的米下锅。没有激光器，激光设备就没有心脏，如同死水。

得知锐科特殊情况后，政府部门多方协调，推动光奥科技、明科机电等锐科25家本地产业链企业紧急复工。复工一周，明科机电就为锐科提供了1000余套激光设备机柜。

锐科在武汉有40多家供应商，绝大部分都在光谷。每年，锐科在光谷就地采购的产品就高达8000多万元。

“一个企业不可能样样产品都自己做，做好核心产品就行。”他说，围绕光纤激光器，锐科也会研发生产特种光纤、预制棒、半导体泵浦源等影响自主可控的核心元器件和材料，但其他环节都尽可能交给光谷的企业去做。

根据光谷激励政策，企业间的协作配套可享专项资金支持，按采购金额的5%予以奖励，最高500万元。2019年，锐科获得协作采购补贴达400万元。

闫大鹏认为，在当前经济恢复期，这样的本地协作与拉动尤为重要。“光谷是全国最大的光电子基地，大大小小的光电子企业近万家，集群效应已经显现。质量有保证，服务也方便，价格还便宜，何必舍近求远？”

1600多家客户来自40多个国家和地区

2007年，从海外归来的闫大鹏，创立锐科激光。

此前多年，中国的光纤激光器100%依赖进口，没有自己的“心跳”。美国巨头IPG，一度占据中国80%的市场份额。一台1万瓦的光纤激光器，最高曾卖到700万元。

2013年，闭关研发6年的锐科，诞生首台1万瓦连续光纤激光器，结束了我国不能自主研发高功率光纤激光器的历史。一根头发丝粗细的光纤，释放的激光能量竟能焊接飞机轮船。

垄断格局，至此打破。

不仅如此，我国第一台25瓦脉冲光纤激光器，第一台100瓦、1000瓦、4000瓦、6000瓦、1.2万瓦、2万瓦连续光纤激光器，均被锐科一个个拿下。眼下，3万瓦光纤激光器技术也已突破。

2018年，锐科上市。背靠中国航天三江集团，激光黑马锐科开始以“光”速狂奔。

锐科在全球拥有1600多家客户，遍及40多个国家和地区。而世界光纤激光器的主要市场仍在中国，全球1/3以上的产品均卖往中国。“因为实现了自主可控和国产化，现在锐科的一台1万瓦光纤激光器，价格仅需70万到80万元左右。”

为了将自主创新牢牢掌握在自己手里，锐科每年拿出销售收入的5%至6%投入研发，去年研发经费高达1.2亿多元。

今年上半年，锐科计划再招400人，并大刀阔斧启动智能制造生产线改造。

“尽管美国的光纤激光器品种更多，仍然引领全球，但现在，中国的工业激光器在跟跑多年后，终能与世界并跑。”（李墨 舒睿）