激光发射器研究进展论文

一、前言

激光出现后，依托锁模技术进入了飞秒（10–15 s）超快时代，并迅速应用到物理、生物、化学和材料等前沿基础科学研究。Zewail 教授因飞秒化学方面的开创性研究荣获 1999 年诺贝尔化学奖。啁啾脉冲放大技术（CPA）进一步将激光推进到了超强时代 [1] ，相关科学家荣获 2018 年诺贝尔物理学奖。

超快超强激光是指同时具有超快时域特性和超高峰值功率特性的特殊光场，为人类在实验室中创造出了前所未有的超快时间、超高强场、超高温度和超高压力等极端物理条件，极大地促进了物理、化学、生物、材料、医学以及交叉学科等前沿科学的发展与进步。可以认为，超快超强激光是用于拓展人类认知的前沿基础科学研究最重要的工具之一，在某些方面甚至是独一无二、不可替代的研究手段。

超快超强激光技术在推动前沿基础科学研究持续拓展的同时，又面临着前沿基础科学研究因自身深化 探索 而新增的能力支撑需求，这为激光技术体系发展赋予了强劲的牵引力。本文着重梳理超快超强激光的发展与科学应用需求以及国内外技术发展情况，在此基础上就我国的领域发展目标和重点方向开展论证分析，以期为我国激光技术的稳步发展提供方向参照。

二、超快超强激光应用与发展需求分析

超快超强激光在相关前沿基础科学研究中的应用拓展，亟需进一步提升激光参数， 探索 利用激光脉冲的其他参量来将超快和超强前沿基础科学研究推进到更为深入的物质层次。根据前沿科学研究目标的差异，未来领域应用与发展的需求集中在以下两部分。

（一）超快激光及其科学应用

这一方向的未来发展需求可细分为阿秒激光乃至仄秒激光、极紫外 – 太赫兹全波段多维度参量精密可控的飞秒超快激光。

阿秒激光乃至仄秒激光追求采用更短脉冲宽度的超快激光来研究物质内部更快的超快过程，需要发展更高脉冲能量、更短脉冲宽度、更高光子能量的高性能阿秒（10–18 s）激光。将阿秒脉冲的光子能量推进到硬 X 射线波段和伽马射线波段，将脉冲宽度推进到仄秒（10–21 s）的时间尺度，从而将人类能够 探索 的物质层次从原子 / 分子水平推进到原子核尺度 [2] 。

飞秒时间尺度对应着原子 / 分子、材料、生物蛋白、化学反应等丰富物质体系的超快过程，有着广泛而重要的应用。随着研究的进一步拓展与深入，需要 探索 更加丰富和复杂的超快动力学过程，以致控制这些超快过程。为了对超快激光更多维度的参量特性进行调制和利用，不仅需要将飞秒激光的光谱拓展到红外 – 太赫兹波段、真空紫外 – 极紫外波段，还需要发展包括时域、振幅、相位、光谱、偏振、空间模式等多维度参量在内的精密调控飞秒超快激光，以极紫外 – 太赫兹全波段多维度参量精密可控的飞秒超快激光为代表。

（二）超强激光及其科学应用

根据定位和应用目标的差异，这一方向可分为低重复频率超高峰值功率超强激光、高重复频率高平均功率超强激光。其中，低重复频率是指激光脉冲重复频率在 10 Hz 及以下，高重复频率是指激光脉冲重复频率在 1 kHz 及以上。

唯有利用超强激光，人类方可在实验室中产生宇宙星体内部和原子核内部才有的极端物理条件。利用低重复频率超高峰值功率超强激光，可在实验室中研究激光粒子加速、光核物理、伽马光 – 光对撞等微观尺度的前沿物理问题，也可在宏观尺度上研究超新星爆发、太阳耀斑、黑洞吸积盘喷流等天体物理现象，还可研究引力波、暗物质、真空物理等拓展人类未知的前沿基础科学。针对国家重大理论与实验研究的需求，如激光粒子加速器、核嬗变等核物理、高能物理、激光聚变能源新途径、激光核医学等，低重复频率超高峰值功率超强激光提供了重要的科学研究工具。

在与国家战略需求相关的应用领域，如空天安全、空天环境物理等方面，高平均功率的超强激光是重要的驱动工具，以能够适应空天特殊环境的高重复频率超强激光为典型。高重复频率高平均功率的超强激光产生超强质子束、电子束、中子束、X 射线、伽马射线，以致超强太赫兹脉冲等次级超强光源作为新型工具，可以拓展到光核反应、激光推进、核聚变能源和核废料处理、疾病治疗等更为前沿的重大基础科学研究和实际应用中。

三、超快超强激光国内外研究现状

（一）超快激光及其科学应用

1. 阿秒超快激光

近 20 年的发展历程表明，宽带高次谐波产生阿秒脉冲来拓展应用的根本局限在于单脉冲能量偏低，国际主流的解决途径是建立高功率和长波长的飞秒超快激光系统。欧盟投资数亿欧元，在匈牙利建立了极端光装置 – 阿秒脉冲源（ELI-ALPS），通过两个拍瓦激光系统产生高峰值功率和高平均功率的阿秒脉冲 [3] 。长波长的中红外飞秒激光脉冲系统可产生更高光子能量和更短脉冲宽度的阿秒脉冲 [4] ，因此众多研究机构均在这方面开展工作。高重复频率阿秒激光研究也取得重要进展 [5] 。另外，通过 X 射线自由电子激光（XFEL）产生阿秒脉冲也获得了初步验证， XFEL 在产生高光子能量（硬X 射线和伽马射线波段）的高功率阿秒脉冲方面具有一定优势。

国内阿秒激光研究集中在中国科学院所属的上海光学精密机械研究所、物理研究所、西安光学精密机械研究所等科研机构。由于总体布局较晚，当前研究水平仍然相对落后。2009 年，上海光学精密机械研究所测量了阿秒脉冲链的脉冲宽度，获得了近傅里叶变换极限的阿秒脉冲激光。2013 年，物理研究所产生并测量了单个阿秒脉冲，获得了脉冲宽度为 160 as 的脉冲激光。西安光学精密机械研究所在阿秒脉冲激光研究方面承担了较多任务。国内高等院校，如华中 科技 大学、华东师范大学、北京大学、国防 科技 大学等也在开展阿秒激光的相关研究。此外，一些研究机构还在高功率激光加速产生高能电子和伽马射线等方面开展了系列工作。

2. 飞秒超快激光

利用非线性光学方法，国际上早已将飞秒激光的波长从可见 – 近红外波段拓展到深紫外 – 紫外、红外 – 太赫兹波段。自由电子激光器也已获得真空紫外和极紫外波段以及太赫兹超快飞秒激光，具有高能量和波长可调谐的优势，但相关装置较为复杂。为了研究更复杂丰富的超快动力学过程，多参量光场精密调控和多波长飞秒超快激光也获得了发展。

国内较多研究团队直接采用商用进口的飞秒激光器，叠加非线性效应来拓展波长等参量。在光场精密调控和多波长飞秒超快激光方面，上海光学精密机械研究所、上海 科技 大学、西安交通大学等机构完成了系列研究。2019 年，中国科学院大连化学物理研究所构建的自由电子激光器已经投入运行，在 50~200 nm 真空紫外与极紫外波段实现了波长连续可调的超快激光输出，发挥了飞秒超快激光对基础科学研究的支撑和拓展作用 [6] 。中国工程物理研究院利用自由电子激光实现了太赫兹波段超快激光输出。

（二）超强激光及其科学应用

这一方向的国际研究进展快速且竞争激烈，世界上已建成 50 多套拍瓦级激光装置 [7] 。

1. 低重复频率超高峰值功率超强激光

欧盟、美国、日本、韩国、俄罗斯等国家或地区均在建设十拍瓦级激光重大科学装置。近期多个国家或地区提出了 100~200 PW 重大激光科学装置的发展计划。欧盟 10 多个国家的近 40 个科研机构联合提出超强光基础设施（ELI）计划，旨在发展200 PW 超强激光装置，已被纳入欧盟未来大科学装置发展路线图；2019 年实现了 10 PW 超强激光输出 [8] 。法国 Apollon 激光装置 [9] 2017 年实现了5 PW 激光输出，2018 年实现了 10 PW 激光输出，更高指标输出目前有所延迟。英国 Vulcan 激光装置 [10] 计划采用光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术，将输出脉冲峰值功率由拍瓦级提升至十拍瓦级。俄罗斯规划用于极端光学研究的艾瓦中心（XCELS）拟实现 200 PW 峰值功率，待建激光装置包含 12 束功率为 15 PW、脉冲宽度为 25 fs 超强激光，利用相干合成技术来输出激光 [11] 。日本激光快速点燃实验项目（LFEX）装置已经实现了皮秒量级、脉冲能量达 2 kJ 的拍瓦激光输出，主要用于支持快点火激光核聚变、天体物理方面的研究。韩国光州科学技术院（GIST）基于钛宝石 CPA 方案，在 0.1 Hz 重复频率下实现了 4.2 PW 激光输出 [12] 。美国罗彻斯特大学 OMEGA EP 装置具有 1 kJ/1 ps/1 PW 的激光输出能力，同步提出了百拍瓦级超强激光的发展构想。

国内低重复频率超高峰值功率超强激光研究方向起步较早，已经形成了实力较强、梯队合理的研究队伍。自 1996 年起，每两年召开 1 次的“全国强场激光物理会议”显著促进了相关领域的学术交流和研究进展。近年来，我国在此方向取得了一些重要研究成果，部分成果已经处于国际领先水平。2017 年，中国工程物理研究院基于大口径三硼酸锂（LBO）晶体和 OPCPA 技术路线获得了近5 PW 超强激光输出 [13] 。上海光学精密机械研究所利用钛宝石 CPA 方案，2016 年在国际上率先实现5 PW 激光输出，2017 年在国际上率先实现 10 PW 放大输出 [14] ；利用 OPCPA 技术也实现了 1 PW 激光输出 [15] ；2018 年在国际上率先立项并启动建设百拍瓦级超强激光装置。此外，一些高等院校近期也提出了建设数十拍瓦级激光装置的规划设想。

2. 高重复频率高平均功率超强激光

这一方向的技术方法主要分为碟片超快激光和光纤超快激光。碟片激光器在解决增益介质的热效应管理问题之后，实现了平均功率为千瓦级的输出。光纤飞秒激光具有散热好、集成方便灵活、光束质量好、转换效率高等优势，且可实现 1 MHz 以上重复频率的激光放大，近年来获得迅速发展。受限于非线性效应，光纤中的 CPA 输出能量和功率还不高。

2012 年，国际知名学者 Mourou 教授在欧盟组织启动了“国际放大相干网络”（ICAN）计划 [16] ，旨在推动基于光纤飞秒激光及其组束技术的发展，实现高重复频率、高平均功率和高峰值功率的超强激光脉冲， 探索 应用于新一代粒子加速器的驱动源。在 ICAN 计划（10 J/100 fs/10 kHz 超强激光）框架下，德国耶拿大学牵头完成了光纤飞秒激光时间与空间组束的众多研究。例如，已经采用 16 束光纤飞秒激光合束获得了平均功率为千瓦级的高重复频率激光输出；提出的空间相干组束（16 32）与时间相干组束或脉冲堆积相结合的新技术方案，有望更加经济地实现 300 fs/100 TW 超强激光输出 [17] 。

国内高重复频率高平均功率超强激光还缺乏系统的研究布局，仅有上海光学精密机械研究所、北京大学、国防 科技 大学、天津大学等少量研究单位各自在分立的核心技术方向上开展研究和 探索 ，如高性能增益光纤研制、碟片激光放大技术、光纤飞秒振荡器、光纤 CPA 技术、空间激光组束、脉冲时间堆积和脉冲压缩等。一些科研机构和高等院校对大模场面积增益光纤、高能量高功率飞秒激光等技术方向进行了持续研究。鉴于在微加工领域应用的良好前景，国内诸多企业开展了数十瓦功率的光纤飞秒激光产品研制，部分企业已经推出了功率为 50 W 及以上的飞秒超快激光产品。尽管发展迅速，但大多数产品需要采用国外的关键器件，而具有自主知识产权的关键器件还较少。整体来看，这方面的研究较为分散，尚未在产业链条上形成系统规划和分工协作的局面。

四、我国超快超强激光发展思路与目标

（一）超快激光及其科学应用

1. 阿秒超快激光

阿秒脉冲的光子能量突破至 1 keV 乃至 10 keV 水平，支持开展阿秒超快内壳层电子动力学、电子自旋 – 轨道动力学等基础物理过程、大分子乃至生物大分子等复杂结构的超快电子动力学与结构变化等研究。涉及的关键技术包括：高功率、少周期、载波包络相位稳定的中红外激光系统，高亮度千电子伏特级阿秒激光脉冲产生，高分辨电子与多电子动量测量，通过康普顿散射方法将光子能量推进到硬 X 射线波段和伽马射线波段。

超快脉冲的脉冲宽度突破至仄秒水平，支持开展深内壳层电子动力学乃至原子核的动力学研究。阿秒脉冲的光子能量达到 10 keV 水平乃至伽马射线波段，阿秒脉冲宽度具备进入仄秒时间尺度的可能性。涉及的关键技术包括：与提高产生效率相关的技术，与实际应用相关的超快测量技术，仄秒脉冲宽度测量等。

2. 飞秒超快激光

随着飞秒超快光谱基础科学研究的发展，除了利用脉冲时域特性以外，光谱和偏振特性也是可以利用的重要特性。后续主要研究思路为：发展兆赫兹重复频率极紫外 – 太赫兹波段宽带飞秒激光，发展高性能、多波长的飞秒激光脉冲和多波长飞秒光频梳，实现同时脉冲形状和空间径向偏振（或涡旋）的、精密调控的特殊时空结构飞秒激光；发展吉赫兹重复频率超快激光，突破单光子和量子纠缠等新型超快光谱技术，提升超快光谱的稳定性和探测效率，支持更加纯粹的微观体系和更加复杂的多体超快动力学过程研究；利用多参量精密可控的超快激光，研究脑科学、肿瘤、生物发育与再生等方面的生物过程精密光控制。

（二）超强激光及其科学应用

1. 低重复频率超高峰值功率超强激光

需求牵引在于重大前沿物理科学问题研究，以期拓展人类认知。后续发展方向依然是继续提升激光的峰值功率（从 100 PW 到 1 EW），抢占最高聚焦功率密度（1025 W/cm2 ）的技术高地，为科学前沿研究提供最先进的极端物理条件。为了提升这类前沿实验的效率和可靠性，还应适当提升超强激光的重复频率，开展涡旋光等特殊光场的超强激光输出及其应用研究；时空电场精密控制与波长调谐的超强激光将进一步拓展应用范围。随着激光聚焦功率密度的不断提升，激光脉冲的时间对比度要求越来越高，应针对性开展有关输出与测量的创新研究。此外，大口径激光聚焦的创新研究和设计成为发展亟需，在有效提升聚焦功率密度的同时，可缓解放大输出激光能量伴生的成本问题。

峰值功率和重复频率是未来研究发展的突破口。预计在 2025 年、2030 年和 2035 年，将分别实现 100 PW、500 PW 和 1000 PW（1 EW）峰值功率的激光输出，在重复频率方面也将取得突破性提升。①利用 5 年左右的时间，实现单发 100 PW 峰值功率输出、重复频率 10 PW 激光输出；激光装置进行真空极化处理，支持天体物理、反物质等基础研究初步取得开创性科研成果。②利用 10 年左右的时间，通过提升泵浦激光能量来突破大尺寸光栅等关键元器件的研制和延寿问题，利用空间激光合束等方法实现 500 PW 激光输出，支持开展引力波、暗物质等前沿重大研究。③利用 15 年左右的时间，在更高功率泵浦激光方面，通过提升大尺寸光栅等关键元器件的尺寸和损伤阈值，结合空间相干组束方法来实现艾瓦级激光输出；发展新型聚焦系统，将聚焦功率密度提升至 1025 W/cm2 ； 探索 基于光和物质相互作用的新原理、新方法来实现艾瓦级激光输出，为激光发展开拓新的技术方案；获得达到近量子电动力学（QED）区域的超强激光，支持开展更加前沿的强场激光物理研究。

2. 高重复频率高平均功率超强激光

根据我国的现有技术水平、技术发展预期和国家重大需求，高重复频率高平均功率超强激光发展具有以下发展趋势。①利用 5 年左右的时间，重点掌握飞秒光纤 CPA、空间相干组束、脉冲时间堆积、大能量脉冲压缩等核心技术，通过路径和设计创新，降低这类激光的复杂性、难度和成本。②利用 10 年左右的时间，在实验室中产生太瓦级千赫兹重复频率的超强激光输出；重点开展强场激光物理中的高次谐波产生阿秒激光脉冲、激光电子加速等研究，获得高通量的阿秒激光脉冲，促进原子 / 分子和材料中阿秒动力学研究的发展；通过激光技术突破来带动工业应用的大发展，降低光纤飞秒激光的功率成本。③利用 15 年左右的时间，实现十太瓦级千赫兹以上重复频率的超强激光输出；通过工业领域的批量应用来驱动光纤飞秒激光功率成本的显著降低；对太瓦级激光进行空间合束，在实验室中实现十太瓦级高重复频率的超强激光；重点开展小型化粒子加速器研究，促进高重复频率、高能量质子束在医疗领域的拓展应用；利用激光产生的高能中子源， 探索 激光聚变能源和核废料处理等重要方面的应用。

五、超快超强激光的重点技术方向

1. 阿秒超快激光

未来重点发展方向主要包括：高能量单个阿秒激光脉冲，高平均功率（高重复频率）阿秒激光，高光子能量阿秒脉冲，拓展阿秒脉冲应用的小型化高重复频率阿秒脉冲。相关的技术发展方向为：高品质的少周期（含中红外）激光脉冲技术，简单便捷的阿秒激光脉冲测量技术、新型阿秒激光应用技术，高品质高亮度硬 X 射线和伽马射线产生技术、仄秒激光技术等。

2. 飞秒超快激光

未来重点发展方向主要包括：多波长高性能飞秒激光技术，宽带双频 / 多频梳飞秒激光技术，兆赫兹高重复频率高性能真空紫外 – 极紫外、红外 –太赫兹超快激光技术，径向偏振和涡旋等特殊偏振与空间模式的飞秒激光技术，吉赫兹高重复频率小型化量子点超快激光技术，垂直腔面发射（VCSEL）超快激光技术，涉及时域、光谱、偏振、空间、相位和振幅等多维度光场精密调控的飞秒激光技术等。

3. 低重复频率超高峰值功率超强激光

聚焦功率密度、对比度是最重要的参数指标，应进一步发展放大技术、脉冲压缩技术、空间聚焦技术、对比度提升与测量技术。未来重点技术方向具体包括：高通量放大技术（即超大能量的 CPA 或 OPCPA 技术以及对应的超大口径激光晶体或非线性晶体研制），等离子体拉曼放大和准参量啁啾脉冲放大（QPCPA）等新型放大技术，新型压缩器设计及大口径、高损伤阈值压缩光栅的研制，大口径超强激光组束技术，激光脉冲对比度提升与单发测量技术，大口径超强激光时空特性在线测量技术，大口径超强激光波前整形与新型高性能聚焦系统设计，超强激光时空电场精密控制与波长调谐技术，超强激光脉冲的腔外脉冲压缩技术，涡旋、径向偏振等特殊光场的超强激光产生及其应用等。

4. 高重复频率高平均功率超强激光

未来重点发展方向主要包括：新型飞秒光纤放大、新型碟片激光放大技术，高重复频率飞秒激光脉冲时间堆积与空间相干组束技术及其衍生创新技术，空间相干组束中甚多束激光的相位测量与主动反馈控制技术，新型飞秒激光放大的特殊光纤设计与加工技术，脉冲压缩与色散管理技术，高重复频率激光泵浦源技术，高重复频率放大过程中热效应管理技术，高性能增益光纤、高性能啁啾光纤光栅与透射光栅等核心元器件研制，时空光场精密控制与波长调谐技术等。

六、对策建议

（3）提高人类认知的基础科学研究，不仅需要本国科研人员的创新创造，还需要全球科学家的聪明才智。加强国际交流合作，吸引国际性人才开展联合研究，进一步加速和提升相关科学研究。在超强激光这些我国已经处于领先地位的领域方向以及一些具有引领性、颠覆性创新的研究方向，可以考虑在“一带一路”倡议框架下，开展重大基础科学装置建设，以我国为主并吸引其他国家（如亚洲国家、俄罗斯等）开展联合研究和技术攻关。通过基础科研成果共享（类似 ELI 计划和黑洞探测计划等）来提升我国 科技 创新的国际影响力。

（4）为了更好更快实现基础研究成果服务于国家经济 社会 发展需求的目标，建议科研机构和高等院校加强与企业的合作，促进超快超强激光方面实用型 科技 成果的高效转化。同时加强知识产权保护与管理，做好技术风险防范工作。

引言 光全息学是在现代激光的发现之后才迅速发展起来的，本文将就光全息学的一些主要的研究课题进行探讨，并针对一些应用课题进行研究。现代光全息学的起源,发展和人物,新型应用,本文将告诉你. 利用干涉原理，将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，使物光波前的全部信息都储存在记录介质中，这样记录下来的干涉条纹图样称为“全息图”，而当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现出原始物光波，从而形成与原物体逼真的三维象，这个波前记录和重现过程称为“全息术”或“全息照相” 光束全息照相由盖伯于1948年提出的，而当时没有足够强的相干辐射源全息研究处于萌芽时期。当时的全息照相采用汞灯为光源，且是同轴全息图，它的+/-1级衍射波是分不开的，即存在所谓的“孪生像”问题，不能获得很好的全息像。这是第一代全息图。1960年激光的出现，1962年美国科学家利思和乌帕特尼克斯将通信理论中的射频概念推广到空域中，提出离轴全息术，他用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光，第一代全息图的两大难题因此得以解决，产生了激光记录，激光再现的第二代全息图。当代光全息学发展主要课题有：1. 球面透镜光学系统2. 光源和光学技术3. 平面全息图分析4. 体积全息图衍射5. 脉冲激光全息学6. 非线性记录，散斑和底片颗粒噪声7. 信息储存8. 彩色全息学9. 合成全息图10. 计算机产生全息图11. 复制，电视传输和非相干光全息图而伴随光全息学的发展也产生一些光全息技术应用，比如高分辨率成像，漫射介质成像，空间滤波，特征识别，信息储存与编码，精密干涉测量，振动分析，等高线测量，三维图象显示等方面的用途。本论文将就当代光全息学的研究与应用两大课题进行学术研究一． 当代光全息学研究 球面透镜不仅能形成光振幅分布的影象，而且易形成该分布的傅立叶变换图形。因此，用一个简单透镜可使物光在全息平面上成为某原始图形的傅立叶变换。存储在全息图中的变换所具有的特性，在光学图形识别中有重要的应用。透镜，作为形成影象的器件，可以在全息术中用来构成像面全息图。一个透镜可以形成：a.傅立叶变换和b.输入复振幅分布的影象 由于利用激光光源来制作全息图片，使得全息学开始成为一门实用的学科。对形成全息图所用光源提出的要求取决于由于物体和必要的光学部件的安排所决定的参数。从单一光源取得物波和参考波有如下图所示两种普通方法：A. 分波前法B. 分振幅法 在光源与全息图之间（通过物表面或参考镜的反射）传播的光线的最大光程差必须小于相干长度。激光的相干性与激光器的振荡模式有关，就全息术而论，它要求在任一个横模振荡的激光器的空间相干的辐射，由于高介模的振荡较不稳定，并有以两个或者多个模式同时振荡的倾向，因此最好的振荡模式是最底阶的模式。激光束的输出功率必须分成物体照明波和参考波。若物体要求从不止一个角度（以消除阴影），就需要将激光束分成好几束，一般采用分振幅法，因分振幅法能产生较均匀的照明，而且对光束的展宽要求小，既可以在分配前也可以在分配后展宽。平面全息图分析用非散射光记录的共线全息图上的条纹间隔与感光乳剂的厚度相比为较宽的。照明这张全息图的波前中的一条光线在通过全息图前只和一条记录条纹相互作用。因此全息图的响应近似于一个有聚焦特性的平面衍射光栅。加伯在分析这些特性时是把这样的全息图严格地当作二维的。用对二维模型分析的结果也很符合实验观察。在应用利思与乌帕尼克首先采用的离轴技术所得到的全息图上，其条纹频率则超过共线全息图，超过了量正比于物光束与参考光束之间的夹角。条纹间隔的典型值可以考虑由两平面波的干涉得到。正弦强度分布的周期d可以由下式决定：2dsinθ=λ, θ为波法线与干涉条纹间的夹角，波长λ，条纹间隔d式中当θ=15°，λ=0.5微米（绿光）时，则d=1微米。记录离轴全息图的感光乳剂的厚度通常为15微米，实际上，在这样的乳剂中记录的全息图已不能当作是二维的了。因此重要的是要记录住平面全息图的分析结果只能准确地应用于使用相当薄的介质所形成的全息图。体积全息图衍射基本的体积全息图对相干照明的响应可以用偶合波理论来描述。假设有两个在yz平面传播的并具有单位振幅的平面波，其进入记录介质并进行干涉的情况，按折射定律，有sin /sin =sin /sin =nn为记录介质的折射率； 及 分别表示两个波在空气中与z轴的夹角； 及 则为两个波在介质中与z轴的夹角。布拉格定律可以用空气中的波长 ，全息片介质折射率 写成如下形式： 2dsinθ= / 体积全息图的特性由布拉格定律确定，因此对照明显示出选择响应。 二.光全息学典型应用高分辨率成像当一张全息图用与制作全息图参考光束共轭的光束照明时，在理论上能再现没有像差没有畸变的物波，其投影实象的分辨率仅受全息图边界衍射的限制。由于分辨率将随全息图尺寸的增加而增加。由于全息图可以做的很大，因此可以指望在现场大到5×5厘米时空间频率高到1000线/毫米。显然此种情况下放大率为1，但1：1的高分辨率投影成像，在集成电路的光刻工艺中有重要的潜在应用。将光刻掩模精密成象在半导体薄片上的工作，目前是用接触印象法来完成的。但这方法很快就会使模板损坏。用投影方法将影象转移到薄片上是一理想的可供选择的方法，但要非常优良和非常昂贵的镜头才能使投影的掩模象达到要求的分辨率和视场。当用相干光源照明制作全息图时，摄影乳剂的收缩，表面变形，非线性及洽谈噪声源的影响就更大了。它们可使图象产生斑纹，衬度降低和边缘模糊，这些缺陷又是用光刻法制作集成电路所不允许的。新的，更稳定的材料可能是这些问题的解答。特征识别由空间调制参考波形成的傅立叶变换全息图的许多特性，曾被范德鲁等人用于特征识别。他们采用全息法作成的空间滤波器完成了“匹配滤波”在特征识别中的应用。匹配滤波与概念，形成与应用可由下图说明 当要把形成的空间滤波器作为特征识别时，在输入平面内z轴上方部分是一个由平面波透明的，在不透明背景上包含M个透明字符的透明片。我们将这一组字符阵列的透过率表示为 这里所有字符均围绕 点对称分布， 是阵列中的一个典型字符，其中心在 点。另外，在输入平面内 处，有一光强度为 δ 的明亮的点光源,并在空间频率面εη面上形成一张傅立叶变换全息图。这一全息图可以看作是t 与δ函数形成的平面波干涉的记录。但是当全息图完成识别功能时，仅由透过t的一小部分，即通过入射平面内的一个或几个字符的光所照明，我们将会看到，在输出平面上我们所关心的再现，是表示识别结果的一个明亮的象点。信息储存与编码全息图既可以存储二维信息也可以存储三维信息。信息可以是彩色的或者编码的，图象的或者字母数字的；可以存储在全息图的表面，或存储在整个体积中；可以为空间上分离的，或者重叠的；可以是永久记录或者是可以消象的。记录的内容可以是彼此无关的或者相互成对的；可以是可辨认的影象或似乎是无意义的图形。现代光全息学的发展前景十分广阔,而其实用技术必然会实现普及,有识之士当携手共同研究以促进社会进步.

拓扑光子学 开始于拓扑边缘态作为鲁棒波导的发现，而另一种最常用的光学元件--光腔也可以利用拓扑缺陷态做出性能上的独特创新。近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室L01组陆凌研究员等人的团队，理论提出并且实验证实了一种全新的 拓扑光子晶体微腔 —— 狄拉克涡旋腔 ， 不但可以支持任意简并度的腔模 ， 而且是目前已知光腔中, 大面积单模性最好的 。这个拓扑光腔填补了半导体激光器在选模腔体设计上的空白，为下一代高亮度单模面发射器件提供了符合商用激光器 历史 规律的新发展方向，对激光雷达和激光加工等技术有潜在的积极意义。此项工作也是对拓扑物理应用出口的一次 探索 ，相关研究成果以“Dirac-vortex topological cavities”为题于2020年10月19日在线发表在Nature Nanotechnology杂志网站上（）， 相关专利也已获得授权。

半导体激光器因其体积小、效率高、寿命长、波长范围广、易于集成和调制等优点被广泛应用于通信、加工、医疗和军事等领域。 其中单模器件因为其最理想的线宽和光束质量 ， 成为众多应用的首选 ， 而单模工作的关键是选模 ， 依靠的都是光子晶体结构 （图一）。比如整个光纤互联网络的光源是分布式反馈激光器（Distributed Feedback: DFB，图1左上），早期的DFB激光器采用一维周期光栅结构选模，但是因为有两个带边模式相互竞争，导致单模输出不够稳定。教科书般的解决方案是引入一个缺陷（四分之一波长的相移，图1右上），进而在光子带隙正中间产生一个缺陷模式，保证了稳定单模工作。此外，现在广泛使用于近距离通讯、光电鼠标、激光打印机和人脸识别中的垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting lasers: VCSEL）的谐振腔也同样利用了带间缺陷态来选模。然而由于上述两种主流产品都是采用一维光子晶体来选模的，所以在其他两个没有周期结构的方向就因为没有选模机制而无法在尺寸上超过波长量级，否则就会多模激射。器件尺寸上不去，单模功率也就遇到了瓶颈。 一个自然的提高单模功率的方案是采用二维光子晶体结构 ，而二维光子晶体面发射激光器（photonic-crystal surface-emitting lasers: PCSEL，图1左下）的产品也已经在2017年由日本滨松公司成功推出，具有大面积单模输出、高功率、窄发散角等多方面优势，但PCSEL也至少有两个高品质因子(Q)的带边模式相互竞争。因此，如果能像一维主流产品DFB和VCSEL那样， 设计出鲁棒的二维带间缺陷模式 ， 有可能成为未来高功率单模激光器的主流方向 。

物理所的研究团队运用拓扑原理设计出了具有二维带间缺陷模式的光腔 。团队首先意识到DFB及VCSEL中的一维缺陷态其实是拓扑的，与很多熟知的一维拓扑模型相等价，包括Shockely, Jackiw-Rebbi和SSH模式。特别是高能物理中的一维Jackiw-Rebbi模式有直接的二维对应，即Jackiw-Rossi模式，是狄拉克方程的质量涡旋解，并且原则上可以在凝聚态体系的蜂窝晶格中用广义的Kekulé调制来实现（HCM模型）。团队通过涡旋调制狄拉克光子晶体设计出了这种拓扑光腔，并且实验上在硅晶片(SOI)上和光通信波段（1550nm）实现了这种狄拉克涡旋腔（图1右下）。 该腔可实现带间单模 、 任意多简并模式 、 最大的自由光谱范围 、 小远场发散角 、 矢量光场输出 、 模式面积从微米到毫米范围可调以及多种衬底兼容等优良特性 。

最佳的大面积单模性是狄拉克涡旋腔有别于其他已知光腔的最独特优势 ，大面积单模性有利于提高单模激光器的功率和稳定性。市场对于功率的需求永远在增长，已有产品在单模能量输出上已经达到瓶颈，需要新的思路。而且高功率和单模本身就是一对矛盾，因为高功率需要大面积的光腔，而模式数量必然随着光腔的尺寸增加，让单模工作更加难以稳定维持，现在狄拉克涡旋腔的出现就是一个潜在的新技术路线。光腔的单模性可以用自由光谱范围（Free Spectral Range: FSR）来表征，之前已知所有光腔的模式间距（FSR）都和模式体积成反比（V -1 ），所以增大FSR的方法就是减小腔的体积。但是狄拉克光腔的FSR与模式体系的根号成反比（V -1/2 ，图1右下），所以在同等模式体积下FSR远超普通光腔（大一到两个数量级）。形成这一区别的原因是普通光腔中的光子态密度为一个非零常数，模式等间距排布；而狄拉克点频率处的光子态密度等于零，两边的模式间距（FSR）最大化（图2左）。

任意模式简并度是狄拉克涡旋腔另一个独特的地方 ，因为体系的拓扑不变量为涡旋的缠绕数（winding number: w），所以拓扑中心腔模的数量等于w，可以是任意正负整数，而且所有w个拓扑模式都是接近频率简并的，图2右展示了w=+1,+2,+3的实验光谱。高度简并光腔能降低多模激光的空间相干性，可用于激光照明技术中。

论文的通讯作者为物理所陆凌研究员，共同第一作者为南开大学与物理所联合培养的博士生高晓梅（现为物理所博士后）和物理所博士生杨乐臣，其他作者为物理所博士生林浩、南开大学本科生张琅（现为耶鲁大学博士生）、清华大学高等研究院汪忠研究员、北京理工大学物理学院李家方教授（原物理所副研究员）和南开大学物理科学学院薄方教授，拓扑微腔的样品制备在中科院物理所微加工实验室完成，物理所博士后李广睿参与了工作的后期讨论。该工作得到了国家重点研发计划（2017YFA0303800, 2016YFA0302400），国家自然科学基金 (11721404)，中科院先导专项(XDB33000000)和北京市自然科学基金 (Z200008)等项目的支持。