《Light: Science & Applications》是由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所与英国自然出版集团(NPG)合作出版的全英文开放获取(OA)国际学术期刊。该刊于2012年3月29日创刊,2013年10月先后被国际著名检索系统SCI (Science Citation Index Expanded)及全球最大文摘引文数据库Scopus收录,该刊是NPG集团在中国出版的第一本OA物理类期刊,致力于推动全球范围内的光学研究,刊载光学领域基础、应用基础以及工程技术研究及应用方面的高水平的最新研究成果,包括小尺度光学、特种光学、光学材料及处理、光学元件制备、光学数据传输、光学测量、光学在生命科学及环境科学等领域的应用等方面的高质量、高影响力的原创性学术论文和综述文章。

主编:曹健林
执行主编:崔天宏     Stefan Kaierle
EISSN:2047-7538    ISSN:2095-5545    CN 22-1404/O4

近期文章

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High-contrast, fast chemical imaging by coherent Raman scattering using a self-synchronized two-colour fibre laser

Cihang Kong, Christian Pilger, Henning Hachmeister, Xiaoming Wei, Tom H. Cheung, and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 25(2020)

Published online 24  February 2020

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文章概要:使用自同步双色光纤激光器进行相干拉曼散射实现高对比度、快速化学成像

该文章提出了一种利用交叉相位调制产生相干波长的新型高功率,低噪声,自同步双色脉冲光纤激光器系统。借助该系统,可以展示了高质量的CARS和SRS成像以及其他非线性成像模式,而无需进行平衡检测,在保持较高扫描速度的同时保持较低的检测设置的复杂性。该激光器在强度稳定性提高了50 dB,定时抖动为24.3 fs,平均功率波动小于0.5%,在扩展的波数范围2700–3550 cm-1中调制深度大于20 dB和脉冲宽度变化小于1.8%。该文章通过对活的人类细胞和小鼠动脉组织进行成像,并利用二次谐波产生和双光子激发的荧光对小鼠尾巴,肾脏和脑组织切片进行多峰非线性成像,证明了该系统具有这些功能。这项工作还建立了将现有激光器重塑为同步双色激光器的一般方案,从而促进了CRS成像技术的广泛普及和应用。

Spin-preserving chiral photonic crystal mirror

Behrooz Semnani, Jeremy Flannery, Rubayet Al Maruf & Michal Bajcsy 

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 23(2020)

Published online 20  February 2020

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文章概要:保持自旋的手性光子晶体镜

来自滑铁卢大学量子计算研究所(IQC)的Behrooz Semnani等人展示了在一个薄的单片光子晶体镜中实现了巨大的手性光效应的实验。与传统的镜子不同,实验中的反射镜在保持其旋向性的同时,只反射一种自旋状态的光,并且具有近乎单位一的圆二色性。光子晶体镜的工作原理是利用光子晶体中导模共振 (GMR),同时激发光子晶体平板中泄漏的横向电(TE-like)和横向磁(TM-like)Bloch模式。这种模态不依赖于长程破坏性干扰对辐射损耗的抑制,甚至光子晶体的小区域也表现出鲁棒的圆二色性。这种镜子证明了在二维结构中,对相反螺旋结构的反射率几乎是完全的。由于这种二维结构在单层材料中相对容易制造,因此它具有被不同行业利用的潜力。例如,人们可以将这种结构直接打印在钞票和身份证件上,作为防伪的一种隐藏安全功能。如果你用肉眼看,你不会看到任何值得注意的东西。但是,当以设计频率用圆偏振光照射时,结构会反射光并显示其存在。

Pushing periodic-disorder-induced phase matching into the deep-ultraviolet spectral region: theory and demonstration

Mingchuan Shao, Fei Liang, Haohai Yu & Huaijin Zhang 

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 45(2020)

Published online 18 March 2020

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文章概要:周期无序结构调控实现非线性光学相位匹配的理论和实验研究

来自山东大学晶体材料国家重点实验室于浩海教授、张怀金教授课题组提出一种新的准相位匹配方式-周期性添加相位(Additional periodic phase,简称APP)匹配。其核心是在非线性光学晶体中引入周期性无序结构实现基频和非线性光的相位调控,从而实现补偿有序结构中的相位失配,在此基础上,研究团队以成熟的石英晶体为非线性介质,通过APP相位匹配实现了紫外光及真空紫外(波长177.3nm)的有效输出。研究团队从非线性频率变换的基本原理出发,提出在非线性介质内部引入周期性的无序结构,从而截断非线性光到基频光的能量传输渠道,且利用其色散特性,实现有序结构中相位失配的补偿,使其相位差达到2mπ(m为整数),达到与相位匹配几乎相同的效果,从而成为一种新的相位匹配方式:APP相位匹配,并在此基础上,以石英晶体为非线性光学介质,通过飞秒激光直写技术在其内部引入周期有序/无序结构,实现了紫外到真空紫外(177.3nm)的有效输出。该相位匹配方式,理论上适用于所有无对称中心的非线性光学晶体,可实现材料透过范围内任意波长的有效输出。该团队还以铌酸锂为研究对象,实现了其APP相位匹配下的绿光倍频激光输出,初步验证了该相位匹配技术的普适性。

Water-Induced MAPbBr3@PbBr(OH) with Enhanced Luminescence and Stability

Kai-Kai Liu, Qian Liu, Dong-Wen Yang, Lin Dong, Chong-Xin Shan, and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 44(2020)

Published online 17 March 2020

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文章概要:水诱导的MAPbBr3@PbBr(OH)增强钙钛矿发光和稳定性

来自郑州大学的刘凯凯,董林教授与单崇新教授等人探索了一种新的合成方法合成了一种加入水可以提高发光效率和稳定性的钙钛矿,其浸泡在水中长达一年的时间仍然可以保持良好的发光稳定性。在这项工作中,研究团队在合成过程中加入氨水合成了一种遇水可以提高发光效率和稳定性的钙钛矿。研究人员发现所合成的钙钛矿在遇到水之后形成了一种新的晶体MAPbBr3@PbBr(OH),其量子效率由原来的2.5%提升到71.54%,而且即使在水中浸泡一年仍然能够保持很好的发光稳定性。进一步的研究发现,合成的钙钛矿遇到水之后在铵根离子的辅助下逐渐分解然后定向组装成PbBr(OH)包覆MAPbBr3量子点的特殊结构。研究表明外层PbBr(OH)是一种稳定的宽带隙间接带隙的晶体,其导带底高于内层量子点的导带底,价带顶高于内层量子点的价带顶,因此和会与内层的量子点形成一种大带隙包小带隙的结构,有利于激子的复合。瞬态光谱表明PbBr(OH)能有效钝化量子点的表面缺陷,提高其荧光寿命,进而提高其量子产率。而外层的PbBr(OH)在水以及常见的N,N-二甲基甲酰胺,二甲基亚砜强极性有机溶剂中几乎不溶解,这就对内层的钙钛矿起到了很好的保护作用,极大的提高了钙钛矿的稳定性。这种方法可适用于甲胺铅溴,甲脒铅溴,铯铅溴钙钛矿。利用稳定高效的MAPbBr3@PbBr(OH)作为下转换层,研究人员实现了高亮的发光二极管。这种方法为制备稳定高效的钙钛矿提供了新思路,进一步推动了其实际应用。

O-FIB: far-field-induced near-field breakdown for direct nanowriting in an atmospheric environment

Zhen-Ze Li, Lei Wang, Qi-Dai Chen, Saulius Juodkazis, Hong-Bo Sun, and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 41(2020)

Published online 16 March 2020

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文章概要:O-FIB:利用远场激光诱导近场烧蚀实现纳米精度自由直写

近日,清华大学孙洪波教授、吉林大学陈岐岱教授与斯威本科技大学Saulius Juodkazis教授等人合作,展示了通过飞秒激光脉冲辐射损伤产生的初始纳米孔作为引发光学近场定向增强的“种子结构”来实现超高精度的远场激光直写。这种定向增强的光学近场起源于电位移在空气-介质交界面上法向分量的连续性,其增强方向始终严格同入射激光偏振方向保持垂直。因此,只要联合控制激光聚焦光斑的运动和入射激光的偏振方向便可以产生动态变化的光学近场能量分布以实现给定纳米图案的加工。同时,由于纳米孔产生的类狭缝波导(slot waveguide)效应,光学远场的能量得以被高效地聚集并转换至不受衍射极限限制的定向光学近场增强,从而来形成材料的定向去除。论文具体展示的分辨率为18纳米,仅为激光波长800纳米的1/40。同时,由于加工中的自规则效应的存在,该技术的加工分辨率具有由物理规律自身带来的可控性和鲁棒性,因此可以在激光器、光斑运动控制系统存在一定波动和误差的情况下仍然维持加工的高分辨率。由于光学近场只能被已有的“种子结构”激发,其具有高度的空间局域性和选择性,因此可以有效消除传统光学加工中的邻近效应。实验表明,在利用该技术依次写入两个相距为50纳米(激光波长的1/16)的结构时仍未观察到结构之间的相互影响。进一步地,采取种子结构阵列预沉积和激光扫描相结合的策略可以来快速制备大面积的周期性纳米结构图案化,并支持进一步的光学并行加工扩展继续提升效率,因此具有广阔的科学研究和工业应用前景。

On-Chip Single-Mode CdS Nanowire Laser

Qingyang Bao, Weijia Li, Daoxin Dai, Xin Guo, Limin Tong , and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 42(2020)

Published online 16 March 2020

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文章概要:片上硫化镉纳米线单模激光器

浙江大学郭欣副教授、童利民教授与戴道锌教授等人合作通过在氮化硅芯片波导上集成硫化镉半导体纳米线,通过三个步骤实现了片上单纵模纳米线激光器,工作波长为520nm左右。该激光器具有耦合效率高、可重复性好等特点。首先,通过理论计算获得集成波导与纳米线耦合的最佳耦合长度,并将其以弯曲波导的形式引入激光器结构设计中;其次,在电子束刻蚀(CMOS工艺)制备的芯片上,通过光学显微镜下的微纳操作使纳米线与弯曲波导接触并定位,实现高效率、重复光学耦合。第三,通过纳米线与集成波导耦合形成的马赫曾德干涉(MZI)结构进行模式选择,实现单纵模工作。此外,通过调节弯曲波导的耦合结构尺寸,可选择MZI结构不同方向的输出功率比。与此前其他结构的片上集成光源相比,该激光器在结构制备、耦合效率及模式选择等方面具有显著优势,为片上集成光源提供了一种可能的解决方案。

Symmetry-enforced three-dimensional Dirac phononic crystals

Xiangxi Cai, Liping Ye, Chunyin Qiu, Meng Xiao, Zhengyou Liu , and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 38(2020)

Published online 10 March 2020

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文章概要:对称性保证的三维狄拉克声子晶体

来自武汉大学的刘正猷、邱春印研究团队实验报道了一种由对称性保证的三维狄拉克声子晶体。和已实现的狄拉克半金属不同,这里狄拉克点由声子晶体的非点式空间对称性保证,稳定地钉扎在布里渊区的角点。除了实验证实狄拉克点的存在性,他们的研究也展示了该狄拉克晶体支持独特的四螺旋拓扑表面态。在这项工作中,研究团队构造并实现了对称性保证的三维狄拉克声子晶体。通过声学实验测量角分辨透射谱,他们实验表征了体系的狄拉克点。此外,实验测量的表面声场及其相关的傅里叶谱揭示了无能隙的、高度复杂的四螺旋表面态,这和以往在电子体系中观察到的双费米弧表面态显著不同。以此晶体结构为出发点,可通过降低晶体对称性的方式,设计各种有趣的三维声学拓扑态。值得指出,这里狄拉克点周围的色散呈各向同性,因此,该宏观系统可以作为一个很好的平台来模拟相对论狄拉克物理。这种新奇的狄拉克体系可为研究对相对论物理提供新的机遇,并为声学应用领域提供独特的平台。

Excitonic complexes and optical gain in two-dimensional molybdenum ditelluride well below the Mott transition

Zhen Wang, Hao Sun, Qiyao Zhang, Jiabin Feng, Cun-Zheng Ning, and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 39(2020)

Published online 10 March 2020

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文章概要:莫特相变前二维材料中新的光学增益机制

清华大学宁存政教授的研究团队通过在栅压调控的二维材料中系统地研究材料中激子、三子和相关复合体的基础物理问题,在极低泵浦功率密度下首次证实了一种新型光学增益机制的存在。激子是在半导体材料中由一个电子和一个空穴通过库仑相互作用结合而形成的准粒子,这样的一个激子再结合一个电子或者空穴就形成了三子。通过分析光学增益的特征以及与激子和三子之间的转化关系,研究团队确认了极低密度下光学增益的存在,且增益阈值比传统的半导体材料低5个数量级,并解释了这一光学增益本质上来源于三子。 由于激子和三子在传统半导体中很不稳定,这很大程度上限制了其光学增益在实际器件当中的应用。而激子和三子在二维材料中更加稳定,这使得利用这一新型光学增益研制低功耗光电子器件成为可能。此外,二维材料中这一新型增益机制的证实,在硅基集成方面也具有特别重要的意义,二维材料极大的柔韧性使得其与晶格强烈失配的材料实现异质集成成为可能,而不会像传统III-V族半导体与硅集成时经常遭受机械损坏或热损伤。硅基光源的实现一直是硅基光子学领域研究的热门,二维材料与硅的异质集成进而实现纳米激光器,为这一问题提供了可能的解决方案。二维材料另一个优势是,不同的二维材料原则上可以通过任意堆叠从而形成各种人工异质结构,这对于最终实现基于二维材料的电注入纳米激光器而言具有重要的意义。

Enhanced 1.54-μm photo- and electroluminescence based on a perfluorinated Er(III) complex utilizing an iridium(III) complex as a sensitizer

Chengxin Zhang, Cheng Liu, Qihou Hu, Zhaonan Cai, Wenjing Su, and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 32(2020)

Published online 04 March 2020

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文章概要:基于Er(F-TPIP)3的Ir-tBuPBI共掺杂薄膜的高效OLED

来自伦敦玛丽女王大学的William P. Gillin教授团队经过研究发现,有机磷光掺铱络合物(Ir-tBuPBI)相比其他非掺铱Ir(III)材料表现出较低的三重态---三重态湮没(triplet–triplet annihilation,TTA)速率,但在纯净薄膜中的光致发光和电致发光效率更高,这些特性使Ir -tBuPBI即使在高浓度下也能提供有效的感光作用。而全氟化掺铒络合物Er(F-TPIP)3分子具有全氟化的配体,并且其体积大,这种外壳使Ir-tBuPBI上的C-H键与中心铒离子(Er3+)保持一定距离,从而减少振动猝灭。研究人员成功地证明了采用有Ir-tBuPBI作为感光剂时,其在Er(F-TPIP)3中对铒离子(Er3+)具有相当强的感光作用。研究人员通过将有机磷光掺铱络合物分子与分离的有机掺铒络合物分子复合来制造OLED的发光层。所选的有机掺铱络合物具有最小的三重态---三重态湮没,可实现高效的三重态激子,这可以将能量高效的耦合到铒离子(Er3+)中。同时,分离出的有机络合物的全氟化掺铒有机络合物形成保护壳,以防止铒离子(Er3+)猝灭。通过Ir-tBuPBI感光的Er(F-TPIP)3在波长为1.5 µm处的发光平均寿命达约为0.86 ms,寿命组分为2.65 ms,这是迄今为止在富含氢的有机环境中最长的铒离子(Er3+)寿命,甚至可以与全氟化环境中铒离子(Er3+)的寿命竞争。即使在高浓度的磷光分子的情况下,最佳的感光度也可以使铒离子(Er3+)的发光强度提高1600倍。

Extreme multiexciton emission from deterministically assembled single-emitter subwavelength plasmonic patch antennas

Amit Raj Dhawan, Cherif Belacel, Juan Uriel Esparza-Villa, Michel Nasilowski, Agnès Maître, and et al

Citation: Light: Science & Applications 9, Article number: 33(2020)

Published online 04 March 2020

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文章概要:确定性组装的单发射器亚波长等离子贴片天线的极端多激子发射

寻找控制和增强单光子源发射的实用方法对于从基础科学到量子信息处理的量子光学应用非常重要。虽然等离激元天线是一种解决方案,但将此类天线与单光子发射器的精确对准和耦合非常具有挑战性。在此,法国巴黎索邦大学纳米科学研究院的Agnès Maître教授团队与中国成都电子科技大学合作开发了一种非破坏性的原位远场激光蚀刻光刻技术,该技术可在纳米级别控制等离子体发射器结构中易碎发射极的位置。该技术采用多层结构和双波长协议来确定性地将单个CdSe / CdS胶体量子点定位在等离子贴片天线中,并制造出不同形状的亚波长天线。结果表明单个发射器实现了较高的珀塞尔因子。等离子天线中的强电磁相互作用降低了俄歇复合通道的相对效率,这导致非常高的亮度和极端的多激子辐射复合。该技术可用于制造嵌入易碎发射器的各种光子结构。