近日，愛丁堡大學研究表明，用激光二極管替換現有的LED燈可以大大提升Li-Fi數據傳輸速率。雖然基于LED的Li-Fi可達到10 Gb/s 的數據傳輸速率，可以改善Wi-fi7 Gb/s的數據傳輸速率上限。激光傳輸數據的速率可以很容易超出100 Gb/s。
隨著科技發(fā)展，激光技術已經在材料加工領域取得廣泛應用。另一方面，激光作為先進的光源技術在科研領域正“大展身手”，創(chuàng)造了一個又一個速度之最。
1、新型石墨烯光電探測器轉化速度接近極限
由西班牙光子科學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、美國麻省理工學院的帕博羅·加里洛-赫耶羅，以及加州大學河濱分校物理系教授劉津寧（音譯）領導的研究團隊研制出了這種基于石墨烯的光電探測器轉化儀，其能在不到50飛秒的時間內將光轉化為電，將光電轉化速度推到了極限。最新研究已發(fā)表在近期出版的《自然·納米技術》雜志上。
為了做到這一點，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·泰爾說：“這一實驗的獨特之處在于，將從單分子超快光子學所獲得的超快脈沖成型技術與石墨烯電子技術完美結合在一起，再加上石墨烯的非線性光—熱電反應，使科學家們能在如此短的時間內將光轉化為電信號。”
研究人員稱，由于石墨烯內所有導帶載流子之間存在著超快且超高效的關聯(lián)，在石墨烯內快速制造出光電壓是可能的。這種相互關聯(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，從光吸收的能量能被有效且快速地轉變成電子的熱量。隨后，在擁有兩種不同摻雜的兩個石墨烯區(qū)域的交界處，電子的熱量被轉變成電壓。實驗結果表明，這種光熱電效應幾乎同時出現，被吸收的光可以快速轉變成電信號。
研究人員表示，最新研究打開了一條通往超快光電轉化的新通路。科朋斯強調說：“石墨烯光電探測器擁有令人驚奇的性能，可以應用于很多領域。”
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且有一定的速度。如今，南非約翰內斯堡的維特沃特斯蘭德大學研究人員證明，激光可以沿著螺旋路徑穿越空間，能在射向遠方的時候加速和減速。這是科研人員第一次觀測到有角度的加速光，可能帶來借助此類特殊結構光場的新應用。
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性。這種角加速可以被一個單參數控制，這個參數可以隨時用一個刻入數字全息圖的標準液晶顯示屏來調整，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雜光線，可以用來探索一系列實際應用。
福比斯解釋說：“我們的角加速依靠軌道角動量，即所謂的‘扭曲光’現象。”
把波前光扭曲成螺旋形狀后，光線就能承載軌道角動量。在非恒定速度中的光旋轉導致角加速度，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。之后經螺旋路徑通過空間，螺旋就像發(fā)條一樣旋緊導致光可以被加速，松懈之后又形成減速。
3、日本研發(fā)新型高速相機可捕捉原子波
當晶體點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2.8萬英里。現在，科學家擁有了記錄這種瞬間超速運動的相機。
日本科研人員近日發(fā)明了一種新型高速相機，它可以每秒萬億幀的速度進行拍攝，比傳統(tǒng)的高速相機快不止1000倍。這種相機被稱為“STAMP”，意為“連續(xù)定時全光學映射攝影”。
傳統(tǒng)的高速相機受到其機械和電子組件處理速度的限制，而STAMP通過使用高速光學組件突破了這種局限性。STAMP借助了光的一種屬性——色散，它可以在云霧把陽光分散成五光十色時觀察到。與色散類似，STAMP將超短光束分散成多種彩色的光脈沖，它們在拍攝過程中連續(xù)快速撞擊被拍攝物體。通過分析每個彩色光脈沖，就可以把物體攜帶分散的光脈沖穿過設備時的動態(tài)圖像連貫起來。
另外一種光學成像技術叫做“泵浦—探測法”，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的過程。“很多物理學和生物學的現象是難以復制的。”東京大學的研究人員中川圭一（音譯）說，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。中川圭一與來自多個日本科研機構的科學家共同研發(fā)了STAMP技術。
4、新型紫外激光器探測生物武器制劑
專門研究納米光子學的美國德克薩斯大學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系統(tǒng)，以發(fā)現用于武器的化學和生物制劑。
60萬美元的撥款是美國國防預先研究計劃局(DARPA)歷時3年總投資430萬美元的一部分，用于資助更實用的戰(zhàn)場紫外激光檢測。此多機構項目由密歇根州立大學負責。
周教授致力于開發(fā)低成本緊湊型紫外激光器，以探測痕量化學和生物制劑。其目標是創(chuàng)建一個新型紫外激光器，比現有激光器體積小300倍，效率提高10倍。由此產生的技術可應用到現有檢測系統(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，“它像一盞燈照耀我們去尋找化學或生物制劑……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程
一支國際研究團隊利用SLAC國家加速器實驗室的X射線激光器，首次精確追蹤了光驅動金屬化合物的最外層電子重排并轉換為活性催化劑的超快過程。
這項研究的負責人、德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心科學家Philippe Wernet說道：“在數百飛秒(即千萬億分之一秒)的時間尺度內，我們確定了光驅動作用下，化合物最外層電子的重排過程”。研究者們希望通過了解這些微觀反應的細節(jié)讓他們開發(fā)出預測和控制一些重要的早期化學反應過程的方法，包括人工光合作用體系的開發(fā)。
在SLAC的直線加速器相干光源（LCLS）所進行的實驗中，研究對象是一種稱為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可作為光誘導化學反應的模型分子。
研究人員發(fā)現，將該化合物置于陽光下，5個一氧化碳“刺”的其中一個裂開了，分子中剩余的電子重新進行排布。最外層電子的排布將決定該化學分子的反應性，包括它能否生成有效的催化劑以及反應將如何進行。
讓人不能了解的是，這一光觸發(fā)性反應發(fā)生的速度有多快，分子在最終變?yōu)榉€(wěn)定物質前的短暫中間態(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“刺”，該化合物與乙醇溶劑混合。敏感的探測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。通過改變X射線脈沖的到達時間，科學家們捕捉到分子轉化過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
美國宇航局(NASA)和麻省理工學院在地球與一顆環(huán)繞月球軌道的衛(wèi)星之間建立了超高速網絡連接，速度達到每秒622M，超過地球上的絕大多數網絡用戶。研究小組承認這一傳輸速度讓他們感到吃驚，能夠為用于其他衛(wèi)星和行星的3D視頻傳輸和遠程遙控機器人探索任務鋪平道路。
這項超高速網絡連接實驗名為“月球激光通訊演示”(以下簡稱LLCD)，于2013年10月上演，通過激光從一顆環(huán)繞月球的衛(wèi)星向地球傳輸數據，速度達到每秒622M。相比之下，當前用于太空通訊的無線電頻率系統(tǒng)的傳輸速度只有這一速度的幾十分之一。林肯實驗室LLCD設計組負責人堂-伯羅森表示：“這是一個令人驚異的通訊系統(tǒng)。”在美國國際光電學工程協(xié)會(IEEE)主辦的西部光電展上，伯羅森公布了實驗結果。
宇航局的下一項激光通訊任務——激光通訊中繼演示(以下簡稱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將運轉5年，用以驗證激光通訊技術的可靠性。除了可用于傳輸高清視頻外，激光通訊系統(tǒng)還允許人類遠程遙控機器人，用于執(zhí)行小行星采礦或者在月球上建造基地等任務。
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