近日，愛(ài)丁堡大學(xué)研究表明，用激光二極管替換現(xiàn)有的LED燈可以大大提升Li-Fi數(shù)據(jù)傳輸速率。雖然基于LED的Li-Fi可達(dá)到10 Gb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以改善Wi-fi7 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率上限。激光傳輸數(shù)據(jù)的速率可以很容易超出100 Gb/s。
隨著科技發(fā)展，激光技術(shù)已經(jīng)在材料加工領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。另一方面，激光作為先進(jìn)的光源技術(shù)在科研領(lǐng)域正“大展身手”，創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)速度之最。
1、新型石墨烯光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化速度接近極限
由西班牙光子科學(xué)研究所的研究員弗朗克·科朋斯教授、加泰羅尼亞高等研究院的尼爾克·范·赫斯特、美國(guó)麻省理工學(xué)院的帕博羅·加里洛-赫耶羅，以及加州大學(xué)河濱分校物理系教授劉津?qū)帲ㄒ糇g）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)研制出了這種基于石墨烯的光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化儀，其能在不到50飛秒的時(shí)間內(nèi)將光轉(zhuǎn)化為電，將光電轉(zhuǎn)化速度推到了極限。最新研究已發(fā)表在近期出版的《自然·納米技術(shù)》雜志上。
為了做到這一點(diǎn)，研究人員使用了超快的脈沖激光激發(fā)以及超高靈敏度的電子讀出方法。研究人員克拉斯-揚(yáng)·泰爾說(shuō)：“這一實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特之處在于，將從單分子超快光子學(xué)所獲得的超快脈沖成型技術(shù)與石墨烯電子技術(shù)完美結(jié)合在一起，再加上石墨烯的非線性光—熱電反應(yīng)，使科學(xué)家們能在如此短的時(shí)間內(nèi)將光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。”
研究人員稱，由于石墨烯內(nèi)所有導(dǎo)帶載流子之間存在著超快且超高效的關(guān)聯(lián)，在石墨烯內(nèi)快速制造出光電壓是可能的。這種相互關(guān)聯(lián)使他們可以采用一種不斷升高的電子溫度，快速制造出一種電子分布。如此一來(lái)，從光吸收的能量能被有效且快速地轉(zhuǎn)變成電子的熱量。隨后，在擁有兩種不同摻雜的兩個(gè)石墨烯區(qū)域的交界處，電子的熱量被轉(zhuǎn)變成電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種光熱電效應(yīng)幾乎同時(shí)出現(xiàn)，被吸收的光可以快速轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。
研究人員表示，最新研究打開(kāi)了一條通往超快光電轉(zhuǎn)化的新通路。科朋斯強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“石墨烯光電探測(cè)器擁有令人驚奇的性能，可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域。”
2、激光可拐彎變速
自然法則明確指出，光線必須沿著直線前進(jìn)且有一定的速度。如今，南非約翰內(nèi)斯堡的維特沃特斯蘭德大學(xué)研究人員證明，激光可以沿著螺旋路徑穿越空間，能在射向遠(yuǎn)方的時(shí)候加速和減速。這是科研人員第一次觀測(cè)到有角度的加速光，可能帶來(lái)借助此類特殊結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的新應(yīng)用。
在最新研究中，研究人員首次證明了沿角度加速的光，以及其能被加速和減速的真實(shí)性。這種角加速可以被一個(gè)單參數(shù)控制，這個(gè)參數(shù)可以隨時(shí)用一個(gè)刻入數(shù)字全息圖的標(biāo)準(zhǔn)液晶顯示屏來(lái)調(diào)整，這塊顯示屏比家用液晶電視屏還要小。
研究小組創(chuàng)建的能展示有趣物理屬性的復(fù)雜光線，可以用來(lái)探索一系列實(shí)際應(yīng)用。
福比斯解釋說(shuō)：“我們的角加速依靠軌道角動(dòng)量，即所謂的‘扭曲光’現(xiàn)象。”
把波前光扭曲成螺旋形狀后，光線就能承載軌道角動(dòng)量。在非恒定速度中的光旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致角加速度，而且，光線的加速和減速傳播定期從一種模式切換到另一種模式。之后經(jīng)螺旋路徑通過(guò)空間，螺旋就像發(fā)條一樣旋緊導(dǎo)致光可以被加速，松懈之后又形成減速。
3、日本研發(fā)新型高速相機(jī)可捕捉原子波
當(dāng)晶體點(diǎn)陣受到激光脈沖刺激，原子的波浪，或稱原子波，可在材料中以接近光速六分之一的速度傳播——大約每秒2.8萬(wàn)英里?，F(xiàn)在，科學(xué)家擁有了記錄這種瞬間超速運(yùn)動(dòng)的相機(jī)。
日本科研人員近日發(fā)明了一種新型高速相機(jī)，它可以每秒萬(wàn)億幀的速度進(jìn)行拍攝，比傳統(tǒng)的高速相機(jī)快不止1000倍。這種相機(jī)被稱為“STAMP”，意為“連續(xù)定時(shí)全光學(xué)映射攝影”。
傳統(tǒng)的高速相機(jī)受到其機(jī)械和電子組件處理速度的限制，而STAMP通過(guò)使用高速光學(xué)組件突破了這種局限性。STAMP借助了光的一種屬性——色散，它可以在云霧把陽(yáng)光分散成五光十色時(shí)觀察到。與色散類似，STAMP將超短光束分散成多種彩色的光脈沖，它們?cè)谂臄z過(guò)程中連續(xù)快速撞擊被拍攝物體。通過(guò)分析每個(gè)彩色光脈沖，就可以把物體攜帶分散的光脈沖穿過(guò)設(shè)備時(shí)的動(dòng)態(tài)圖像連貫起來(lái)。
另外一種光學(xué)成像技術(shù)叫做“泵浦—探測(cè)法”，拍攝幀頻甚至比STAMP還要快，但是每次只能抓拍1幀，因此它的使用只能局限于完全重復(fù)的過(guò)程。“很多物理學(xué)和生物學(xué)的現(xiàn)象是難以復(fù)制的。”東京大學(xué)的研究人員中川圭一（音譯）說(shuō)，這激發(fā)著研究人員研發(fā)出每次可以拍攝多幀的超速相機(jī)。中川圭一與來(lái)自多個(gè)日本科研機(jī)構(gòu)的科學(xué)家共同研發(fā)了STAMP技術(shù)。
4、新型紫外激光器探測(cè)生物武器制劑
專門研究納米光子學(xué)的美國(guó)德克薩斯大學(xué)電氣工程系教授周衛(wèi)東，利用政府撥款研制小型激光器檢測(cè)系統(tǒng)，以發(fā)現(xiàn)用于武器的化學(xué)和生物制劑。
60萬(wàn)美元的撥款是美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局(DARPA)歷時(shí)3年總投資430萬(wàn)美元的一部分，用于資助更實(shí)用的戰(zhàn)場(chǎng)紫外激光檢測(cè)。此多機(jī)構(gòu)項(xiàng)目由密歇根州立大學(xué)負(fù)責(zé)。
周教授致力于開(kāi)發(fā)低成本緊湊型紫外激光器，以探測(cè)痕量化學(xué)和生物制劑。其目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)新型紫外激光器，比現(xiàn)有激光器體積小300倍，效率提高10倍。由此產(chǎn)生的技術(shù)可應(yīng)用到現(xiàn)有檢測(cè)系統(tǒng)以減少尺寸、重量和功率，或創(chuàng)建更小、更敏感的新系統(tǒng)。周教授說(shuō)，“它像一盞燈照耀我們?nèi)ふ一瘜W(xué)或生物制劑……就像尋找這些制劑的指紋。”
5、X射線激光器精確追蹤催化劑超快形成過(guò)程
一支國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)利用SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的X射線激光器，首次精確追蹤了光驅(qū)動(dòng)金屬化合物的最外層電子重排并轉(zhuǎn)換為活性催化劑的超快過(guò)程。
這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人、德國(guó)亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心科學(xué)家Philippe Wernet說(shuō)道：“在數(shù)百飛秒(即千萬(wàn)億分之一秒)的時(shí)間尺度內(nèi)，我們確定了光驅(qū)動(dòng)作用下，化合物最外層電子的重排過(guò)程”。研究者們希望通過(guò)了解這些微觀反應(yīng)的細(xì)節(jié)讓他們開(kāi)發(fā)出預(yù)測(cè)和控制一些重要的早期化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的方法，包括人工光合作用體系的開(kāi)發(fā)。
在SLAC的直線加速器相干光源（LCLS）所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，研究對(duì)象是一種稱為Fe(CO)5（五羥基鐵）的淡黃色液體。在該化合物中，一氧化碳“刺”環(huán)繞著鐵原子中心的周圍。Fe(CO)5可作為光誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)的模型分子。
研究人員發(fā)現(xiàn)，將該化合物置于陽(yáng)光下，5個(gè)一氧化碳“刺”的其中一個(gè)裂開(kāi)了，分子中剩余的電子重新進(jìn)行排布。最外層電子的排布將決定該化學(xué)分子的反應(yīng)性，包括它能否生成有效的催化劑以及反應(yīng)將如何進(jìn)行。
讓人不能了解的是，這一光觸發(fā)性反應(yīng)發(fā)生的速度有多快，分子在最終變?yōu)榉€(wěn)定物質(zhì)前的短暫中間態(tài)是什么。
在LCLS，他們使用光纖激光器脈沖撞擊該鐵化合物其中的一條細(xì)“刺”，該化合物與乙醇溶劑混合。敏感的探測(cè)器捕捉到僅僅幾百飛秒后，一束極亮的X射線脈沖刺入分子中。通過(guò)改變X射線脈沖的到達(dá)時(shí)間，科學(xué)家們捕捉到分子轉(zhuǎn)化過(guò)程中最外部電子的重排情況。
6、月球激光通訊622M傳輸速度令人吃驚
美國(guó)宇航局(NASA)和麻省理工學(xué)院在地球與一顆環(huán)繞月球軌道的衛(wèi)星之間建立了超高速網(wǎng)絡(luò)連接，速度達(dá)到每秒622M，超過(guò)地球上的絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)用戶。研究小組承認(rèn)這一傳輸速度讓他們感到吃驚，能夠?yàn)橛糜谄渌l(wèi)星和行星的3D視頻傳輸和遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人探索任務(wù)鋪平道路。
這項(xiàng)超高速網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)驗(yàn)名為“月球激光通訊演示”(以下簡(jiǎn)稱LLCD)，于2013年10月上演，通過(guò)激光從一顆環(huán)繞月球的衛(wèi)星向地球傳輸數(shù)據(jù)，速度達(dá)到每秒622M。相比之下，當(dāng)前用于太空通訊的無(wú)線電頻率系統(tǒng)的傳輸速度只有這一速度的幾十分之一。林肯實(shí)驗(yàn)室LLCD設(shè)計(jì)組負(fù)責(zé)人堂-伯羅森表示：“這是一個(gè)令人驚異的通訊系統(tǒng)。”在美國(guó)國(guó)際光電學(xué)工程協(xié)會(huì)(IEEE)主辦的西部光電展上，伯羅森公布了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
宇航局的下一項(xiàng)激光通訊任務(wù)——激光通訊中繼演示(以下簡(jiǎn)稱LCRD)將于2017年發(fā)射，旨在地球和一顆地球同步衛(wèi)星之間建立激光連接，速度將達(dá)到每秒1G。地球同步衛(wèi)星與地球之間的距離只有地月距離的十分之一。LCRD將運(yùn)轉(zhuǎn)5年，用以驗(yàn)證激光通訊技術(shù)的可靠性。除了可用于傳輸高清視頻外，激光通訊系統(tǒng)還允許人類遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人，用于執(zhí)行小行星采礦或者在月球上建造基地等任務(wù)。
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