Технологический обзор: ТОП-20 технологических достижений 2013 года в области фотоники (перевод)

http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-49/issue-12/features/technology-review-top-20-technology-picks-for-2013-shed-light-on-what-s-to-come.html

Старший редактор Джон Уоллес еще раз называет ТОП-20 самых интересных с его точки зрения разработок в фотонной технологии, на которые обратил внимание Laser Focus World в 2013 году.

Т.к. люди, составляющие мир фотоники, настолько искусны в генерации новых идей и устройств, а также в улучшении существующих фотонных технологий, список ТОП-20 достижений в этом году должен бы включать в себя около 100 пунктов из нескольки сотен достойных быть отмеченными, и многочисленных награда за уникальность. Однако, редактор сделал свой выбор. Итак, рассмотрим следующие 20 пунктов и можете согласиться или нет с редактором, но прочитав этот список, вы можете просмотреть  12 последних выпусков Laser Focus World или поискать в интернете, и определить свои предпочтения по самым значимым событиям (И напишите нам, чтобы высказать собственное мнение)

Мир в ваших глазах

Налобные дисплеи (head-worn displays). В связи с высокой скоростью «оттока» в поотребительских коммуникационных и вычислительных технологиях этих дней (кто-нибудь помнит нетбуки?) уместно начинать пересечение фотоники и потребителького мира. Глазоподобные налобные диспели, наиболее известными из которых занимается Google в виде жидкокристаллических дисплеев на основе Google Glass (очков гугл или стекол гугл?),  также будут разрабатываться где-нибудь еще с технологиями дисплеев и оптики, принимая другие формы, такие как органическиие светодиоды и жидкокристаллические на кремнии (см. статью "Налобные дисплеи: Полезный инструмент или нишевая новинка?" Laser Focus World, July 2013; http://bit.ly/HzQte5).

Понимание светодиодов белого света. Стандарт для светодиодов белого света, который сочетает в себе полупроводниковый излучатель синего света на основа нитрида галлия (GaN)с желтым люминофором, является наиболее эффективным источником белого света, который можно купить сегодня. Но есть одна вещь, которая мешает получению большей эффективности, и это называется «снижение эффективности (efficiency droop)», т.е. белые светодиоды повреждаются в момент включения тока. Причина этого обсуждается годами и исследователи из University of California, Santa Barbara (UCSB) и the École Polytechnique (Palaiseau, France) наконец-то экспериментально показали возможность получения белых светодиодов со светоотдачей до 300 лм/Вт (см. рис. 1) (См. статью "Причина снижения эффективности белых светодиодов наконец-то экспериментально выявлена" Laser Focus World online, April 2013; http://bit.ly/17bTXiE.)

Рис 1. An LED emitting light under forward bias in an ultrahigh-vacuum chamber shows simultaneous electron-emission 

Самые мощные лазеры и как измерять их. Продвигаясь в промышленную область, лазеры для обработки становятся все более мощными, фактически они становятся настолько мощными, что их существование может обгонять потребности в их использовании, что, конечно, приводит к исследованиям в области того, как их можно использовать. Волоконный лазер мощностью в 100 кВт был разработан в IPG Photonics (Oxford, MA)и является сейчас коммерческим продуктом: первый образец был отправлен в начале этого года в NADEX Laser R&D Center (Nagoya City, Japan), где изучались возможности лазерной обработки материалов. Специально для этого лазера Ophir Photonics (North Logan, UT) разработал измеритель мощности, который может измерять   100 кВт на выходной длине волны в 1070 нм (см.статью "Ophir Photonics представляет 100 киловаттный измеритель лазерной мощности, первый образец уже используется" Laser Focus World, September 2013; http://bit.ly/1cSqubU).

Системы на прямых диодах (direct diode). Высокомощные лазерные установки на прямых диодах, в которых свет от лазерных диодов вводится в оптическое волокно и имеет на выходе до киловатта оптической энергии, очень эффективны из-за высокого (до 70%) КПД лазерных диодов. Самая большая проблема в том, как ввести достаточно лазерной мощности в небольшое волокно, чтобы получить луч, достаточно яркий для практического использования; обсуждается ряд подходов (см. статью  "Заставить прямые лазерные диоды светить ярче," Laser Focus World, March 2013; http://bit.ly/I8wYJP

VCSEL для спектроскопии. Использование лазеров с вертикальным резонатором и излучающей поверхностью (VCSELs) для спектроскопии поглощения на перестраиваемых диодных лазерах (tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS or TDLS)) было достигнуто учеными из at Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Braunschweig, Germany), TU Darmstadt (Darmstadt, Germany) и the University of Duisburg-Essen (Duisburg, Germany) для измерения водяных паров в двигателях внутреннего сгорания, заменив лазеры с распределенной обратной связью (DFB), использующиеся для этого. VCSELs имеют больший диапазон перестройки и при этом высокие скорости модуляции, охватывая, таким образом полный спектр поглощения (см. статью  "Польза VCSELs в измерениях параметров сгорания с помощью TDLAS," Laser Focus World, October 2013; http://bit.ly/1bbNK1N).

Программное обеспечение для лазерного моделирования. Как создать численную физическую модель лазера таким образом, чтобы можно было узнать его характеристики до того, как начинать строить его? Synopsys (Ossining, NY) разработал программное обеспечение под названием Rsoft LaserMOD, чтобы моделировать лазерные диоды и  VCSELs, используя скоростные уравнения и модели measurement-driven (см. статью  "Программное обеспечение для лазерного моделирования требует минимального знания параметров" Laser Focus World, September 2013; http://bit.ly/1elhAaE). И здесь дополнительный пункт. Инженеры из Simphotek (Newark, NJ), которые создали пакет для моделирования лазеров и усилителей, который фигурировал в ТОП-20 Laser Focus World в 2012 году, обнародовали тематические исследования, которые показывают физику некоторых чрезвычайно сложных лазеров и фотонных материалов, которая позволит моделировать быстрее и прямее ( см. статью  "Rapid characterization and reference tools for active photonic materials," p. 24).

Большая фотоника показывает результаты

Оптика для экстремально-ультрафиолетовой спектроскопии. Один из самых глобальных из когда-либо задуманных в фотонике проектов, длящийся десятилетия и все еще находящийся в разработке и все еще выдающий изображения с разрешением на 12 нм с искажением изображения в несколько нанометров, - это проект, который имеет отношение к вашему легкому ноутбуку и вашему крутому смартфону. Оптическая литография в наше время достигла своего предела с традиционными источниками света (эксимерными лазерами) и делает следующий шаг: экстремально-ультрафиолетовая (EUV) литография на длине волны в 13 нм. Как всегда, чем выже числовая апертура (NA) оптики, тем выше разрешение (см. рис.2) (См. статью "Экстремально-УФ оптика с высокой числовой апертурой в пути" Laser Focus World, July 2013; http://bit.ly/19DKAad.)

Тонкодисковый лазер. Тонкодисковый лазер, конфигурация которого позволяет сбрасывать много тепла быстро и без искажения пучка, достиг выходной мощности в 30 кВт, что превышает уровень мощности, который RELI (Robust Electric Laser Initiative) департамента защиты США определил для оружия направленной энергии. Это дисковый лазер был разработан в Boeing (Albuquerque, NM). (см. статью "Тонкодисковая лазерная система от Boeing достигает статуса оружия направленной энергии" Laser Focus World online, August 2013; http://bit.ly/HK0GnD.)

Рис.2. ЭУФ-литографическая проекционная оптическая система с 5ти кратным уменьшением имеет поверхности, отполированные с использованием субапертурной управляемой компьютерной технологией оптических поверхностей, разработанной в Zygo Extreme Precision Optics (EPO; Richmond, CA), наряду с ионо-лучевым figuring. Этот сгенерированный компьютером рисунок схематически показывает два асферических ЭУФ-зеркала (показаны голубым цветом) в модифицированной конфигурации Шварцшильда в их оптомеханической структуре. Гексаподный привод контролирует позиционирование зеркал друг относительно друга (Courtesy of Zygo Corporation)

Более высокая выходная мощность лазерного синтеза. Возможно самой большой из них является National Ignition Facility (NIF; Livermore, CA), которая стремится создать не только безубытбыточный лазерный синтез, но и ищет способ безопасного тестирования в лаборатории запасов ядерного оружия США. В этом году NIF генерируется рекордный поток из почт 3 × 10¹⁵ термоядерных нейтронов из мишени из детерия трития, продвигаясь к цели создания самоподдерживающегося горения мишени, но не достигая при этом зажигания, как считают некоторые в популярной прессе (см статьи  "Хорошие новости от NIF," Laser Focus World online, September 2013; http://bit.ly/1bbPEzv, и " Прогресс, но не «прорыв» NIF" Laser Focus World online, October 2013; http://bit.ly/1fk2ikb).

Изобретения в оптике

Моноцентрический объектив. Одним из наиболее интересных случаев оптической конструкции является моноцентрический объектив (или линза), у которого все поверхности имеют один и тот же центр кривизны, что убирает ограничения на размер поля (хотя "плоскость" изображения также имеет сферическую часть). Группа из Калифорнийского университета (University of California, San Diego) создала миниатюрную моноцентрическую систему, которая используется со стандартной цифровой камерой с одной линзой (digital single-lens-reflex (DLSR)) (см. статью  "Миниатюрная моноцентрическая камера записывает подробную информацию о сцене, сохраняя при этом чрезвычайно широкое поле зрения" Laser Focus World online; September 2013; http://bit.ly/GzrsQ8).

ОКТ для оптического производства. Оптическая когерентная томография (ОКТ), известная своим применением при создании подробных трехмерных изображений биологической ткани, имеет свои преимущества и в других местах. Исследователи из University of Rochester (Rochester, NY) и из других мест используют ОКТ для точного определения характеристик полимерных градиентных линз, что помогает им совершенствовать производственный процесс (см. статью "ОКТ улучшает производство полимерных градиентных линз" Laser Focus World, June 2013; http://bit.ly/1bJhbbL).

Бумажная терагерцовая линза. В ТОП-20 технологических достижений попадают также необычные достижения. Вот одно из них, необычное, но весьма полезное: создание терагерцовых фокусирующих линз из бумаги. Задуманные в  the Warsaw University of Technology (Warsaw, Poland) и the University of Savoie (Le Bourget du Lac, France) эти линзы (френелевские зонные пластинки) были вырезаны из бумаги диаметром 100мм и представляют собой быстрый и эффективный способ получения прототипа терагерцовой оптической системы (см. статью "Бумажная терагерцовая линза для быстрого создания прототипа" Laser Focus World, February 2013; http://bit.ly/1g37rh4).

Продольно колеблющийся свет. Исследователи Венского технологического университета (TU Vienna) наперекор всем остальным заставляют свет осциллировать в продольном направления. Они делают это путем захвата света в выпуклость в оптическом волокне; конфигурация имеет практический эффект, т.к. она позволяет осуществить сильную связь света и вещества через затухающие волны на поверхности волокна (см.статью  "Свет, захваченный волокном, осциллирует в продольном направлении" Laser Focus World online, May 2013; http://bit.ly/1baay3u).

Передача по волокну со скоростью Петабит/сек. Кто мог бы вообразить раньше, что одно оптическое волокно сможет передавать данные со скоростью, приближающейся к Петабит в секунду? Этот подвиг был совершен в этом году командой во главе с Akihide Sano из NTT Corporation (Yokosuka, Atsugi, and Tsukuba, Japan); волокно содержит 12 сердцевин в двух кольцах в технике, называемой чередованием направлений распространения (propagation-direction interleaving); относительная ориентация колец минимизирует перекрестные помехи внутренних волокон. Исследователи продемонстрировали скорость передачи в 409 Тбит/с в каждом направлении и 818 Тбит/с в целом (см. статью  "Многоканальное волокно передает данные со скоростью 818 Тбит/с на расстояние в 450 км" Laser Focus World, August 2013; http://bit.ly/1bZ30AK).

Интегральная фотоника принимает новые формы

Белый свет от объемного кремния. Объемный кремний хорошо известен своей непригодностью в качестве источника света. Однако группе из Университета Пенсильвании (Philadelphia, PA) удаловь получить в объемном кремнии производство широкого спектра видимого света; секрет в правильном сочетании нанопроволоки и плазмонных нанополостей. Исследователи работают над электрической накачкой конфигурации, что сделало бы ее полезной в интегральной фотонике (см. статью  "Объемный кремний впервые излучает видимый свет" Laser Focus World, March 2013; http://bit.ly/187Kp2N).

Фотонные интегральные схемы для спектроскопии. Фотонно-интегральные схемы (PIC), содержащие лазеры на антимониде галлия (GaSb)  и фотоприемнике на базе кремний-на-изоляторе (SOI), были разработаны в качестве плацдарма к чиповому коротковолновому инфракрасному (SWIR) спектрометру spectrometer. Разработанная в Гентском университете (UGent; Ghent, Belgium) и Университете Монтпелье 2 (Um²; Montpellier, France), эта фотонно-интегральная схема работает в диапазоне длин вол в 2 мкм (край коротковолнового диапазона молекурярных «отпечатков пальцев»). Будущие устройства могут расширить диапазон до средних волн ИК (MWIR). (см. статью "GaSb/SOI PICs target integrated SWIR spectroscopy," Laser Focus World, April 2013; http://bit.ly/1hNoWno.)

Фазовый оптический массив. Используя стандартные техники CMOS-изготовления, исследователи из Массачусетского технологического института (MIT; Cambridge, MA) создали 64 × 64 фазовый массив оптических наноантенн на кремниевой подложке миллиметрового размера; каждая наноантенная является оптической версией антенны, используемой в фазовых радио массивах. Как и радиомассив, оптический фазовый массив потенциально может производить луч света, электрически управляемый на высоких скоростях. Меньший прототип 8х8 массива уже управляется на длине волны 1.55 мкм (см. "Нанофотонный массив CMOS-совместим," Laser Focus World, March 2013; http://bit.ly/10shbHu).

Биофотоника и ее достижения

Перестраиваемый VCSEL для ОКТ. Перестраиваемые по длине волны VCSELs, которые используют для  настройки микроэлектромеханические системы (МЭМС), увеличили осевой охват изображения от swept-источника ОКТ от миллиметров до десятков сантиметров, что позволяет сделать объемного изображение всего глаза, определить характеристики крупных промышленных частей и получить доплеровскую ОКТ. Скорости сканирования для устройств, которые были разработаны исследователями из Thorlabs (Newton, NJ), Praevium Research (Santa Barbara, CA), и MIT, могут достигать 1 МГц, получая при этом глубины сканирования более 15 см (см. статью "VCSELs ускоряют новые приложения ОКТ" Laser Focus World, April 2013; http://bit.ly/1bacc58).

Контактные линзы с зумом. Полностью автономные контактные линзы, которые позволяют владельцу переключаться между нормальным и увеличивающим зрением, были созданы в этом году группой Калифронийского университета, Сан-Диего (UCSD; см.рис.3). Прототип линзы, который содержит жидкокристаллический (ЖК) затвор и четыре коаксиальных асферических отражателя, увеличивает в 2.8 раз и был протестирован на механическом глазе. Наряду с ЖК, полимерная линза включает коррекцию дифракционной  хроматической аберрации. Цель работы – облегчит проблемы со зрением, с вязанные с возрастной макулярной дегенирацией (ВМД) (см. статью "Телескопическая контактная линза толщиной в 1 мм увеличивает в 2.8 раза" Laser Focus World online, July 2013; http://bit.ly/13j07FT).

Рисунок 3. Контактная линза, которая основана на оптике с асферическими зеркалами, может переключаться между 1х и 2.8х увеличением. В то время как линза показана на рисунке надетой на глаз человека, в действительности она была протестирована на механическом глазе

Остановка эпилептических припадков светом. Последний в списке этого года имеет все признаки победителя: технология, идущая из новой растущей области (оптогенетики), имеет своей целью остановить последствия поистине изнурительной болезни (эпилепсии), получены первые экспериментальные результаты, и существует  возможность преодолеть многие побочные эффекты традиционных методов. В эксперименте оптическое волокно было имплантировано в головной мозг мыши  в области, которая на электроэнцелографе имела локус судорог. Применение янтарного света через волокно прекращало большую часть сокращений в течение секунды. Исследователи надеются, что их работа станет лучшей альтернативой традиционному методу электостимуляции. (см.статью "Неврологи-ученые из UC Irvine прекращают элиптические припадки с помощью имплантированных оптических волокон" Laser Focus World online, January 2013; http://bit.ly/19DPBj1).