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                研究与进展2019:混合阳离子型钙钛矿太阳能电池空间应用;高维量子密钥分发;体布拉格光栅角度放大器;强散射环境OAM光通信等

                发布时间:2020-11-18 阅读次数:4381

                混合阳离子型钙钛矿太阳能电池的空间应用



                近期,北京大学物理学院“极端光学创新研究团队”朱瑞研究员、龚旗煌院士与中科院光电研究院徐国宁研究员、西北工业大学黄维院士合作,率先开展了混合阳离子型钙钛矿太阳能电池在临近空间的稳定性研究。


                SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy(SCPMA,《中国科学:物理学 力学 天文学》英文版)及时报道了这一研究成果,文章题为“Mixed-cation perovskite solar cells in space”,发表于2019年第7期。通过将钙钛矿太阳能电池负载在高空气球上,研究器件在距地面35 km的临近空间极端环境下的稳定性情况。最终获得AM0辐照下,器件维持其初始效率95%以上的稳定性数据。


                这一研究成果丰富了钙钛矿太阳能电池在特殊领域的应用,将推动临近空间飞行器能源装置优化革新,提高我国在临近空间发展军事与科技的国际竞争力,具有里程碑式的科学意义。


                来源:中国科学杂志社  



                高维量子密钥分发



                中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队在高维量子密码领域取得新进展:该团队韩正甫研究组利用量子态的不同自由度之间的映射方法,设计并实验验证了一种保真度和稳定性极佳的高维量子密钥分发方案。该研究成果于近期发表在Physical Review Applied上。


                高维量子密钥分发利用高维量子态编码,可以在单个量子态上加载多于1比特的经典信息,从而有效提高安全密钥生成率;同时,高维量子密钥分发可以容忍更高的系统误码率,因此具有更强的抗噪能力。与BB84协议等常用的二维量子态编解码技术相比,实现光子轨道角动量等高维量子态的高保真、高速率编解码的难度显著提升。因此,现有的高维量子密钥分发技术仍停留在原理验证阶段。制约该技术实用化发展的核心问题是高维量子态的制备、传输和测量。


                量子密码组陈巍、银振强等人基于光子的偏振-轨道角动量不可分离态,提出了偏振和轨道角动量双自由度之间的态映射方法和实现方案,进而实现了对高维量子态的高精度制备和测量。该方案在操控光子偏振态的同时,可以通过映射装置同时高精度的操控光子的轨道角动量量子态,从而实现高保真度的信息加载和提取。与现有技术相比,该方案的最大优势在于编解码过程不需要进行光子态的干涉操控,因而具有很低的本底误码率和极佳的稳定性。


                量子密码组基于该方法实现的高维QKD系统的平均误码率仅为0.6%±0.06%,利用弱相干光源实现了1.849比特/脉冲(理论极限为2比特/脉冲)的高筛后安全密钥率。并且,由于系统只需操控光子的偏振态,有望实现与二维量子密钥分发系统相同的高工作速率,因此具有很好的应用潜力。该研究工作为解决高维量子密钥分发的态制备和态测量两大难题开拓了一条有效的解决思路,为高维量子密钥分发技术的实用化起到了积极的推动作用。


                来源:中国科学技术大学



                非偶极近似下的p轨道激子与微腔的强耦合



                光与物质的相干相互作用是量子光学网络中的核心部分。光子晶体微腔-量子点耦合系统具有较小的衰减、较小的模式体积以及可以片上集成的特性,因此为固态量子光学网络提供了理想的平台。而目前对该系统的研究主要集中在量子点的s-shell态上。由于s-shell态的波函数分布小,因此该系统可以通过偶极近似来描述。但是这导致了微腔-量子点耦合系统中的耦合强度较小。同时由于固态系统的特性,光子晶体微腔的模场分布很难被调节。虽然电磁场可以影响量子点的波函数,但是s-shell态较小的波函数分布导致调节效果不明显。因此,如何实现微腔-量子点耦合系统中耦合强度的增益与高效调控,对深入研究光与物质相互作用和量子光学网络都十分重要。


                近期,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许秀来课题组与纳米物理与器件重点实验室研究员顾长志及光物理重点实验室研究员金奎娟等合作,在总结过去相关工作的基础上,在提出并实现了微腔-p-shell量子点耦合系统。同时,他们在理论和实验上证实了该系统处于非偶极近似下,从而首次实现了微腔-量子点耦合系统的增益。其中得到的210μeV的耦合强度,是目前微腔-量子点耦合系统中最大的数值。文章发表在近期的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。


                研究人员为了实现非偶极近似下的微腔-量子点耦合系统,生长了一批具有低点密度、大尺寸的量子点样品。同时通过高精度的微加工过程,制备了具有高品质因子的L3型光子晶体微腔,其Q值可达10000。从光谱上看,这些量子点具有一个基态(s-shell)和至少两个激发态(p-shell和d-shell)。由于激发态具有大的波函数扩展,p-shell的抗磁远大于s-shell的抗磁,如图1所示。其中,p-shell还包含一些特别的激子态,其在垂直磁场下具有抗磁反转的行为,说明这些激子态的波函数有相当一部分扩展到了浸润层之中。在这些特别的激子态上,研究人员观测到了非偶极近似下的耦合增益。在微腔与点弱耦合作用下,激子态的辐射产生Purcell增益,其增益系数由耦合强度与腔膜的失谐决定。研究人员从实验数据中提取出了耦合强度的大小,发现在小磁场下耦合强度随磁场增加。此外,研究人员还观测了强耦合下的结果,在强耦合下,耦合强度通过对拉比劈裂进行拟合得到,其随磁场的变化与弱耦合下的结果基本一致。由于微腔内场分布不均匀,当量子点的波函数随磁场收缩时,波函数所在位置的电场反而会变强。因此,当初始波函数扩展足够大时,系统的耦合强度不会像过去工作中偶极近似下那样随磁场单调减小。而是在小磁场下,系统的耦合强度将被增益。从实验和理论结果中可以看出理论预测、弱耦合和强耦合下的数据相符。该工作将微腔-量子点耦合系统从基态推向高能级态,并且首次实现了耦合强度的增益与高效调控,解决了该系统中耦合强度低且难以调控的问题,对实现可控量子光学网络、量子计算有重要意义。


                来源:中国科学院物理研究所




                强散射环境OAM光通信



                近年来,光学轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)被广泛应用于经典通信和量子通信。光学轨道角动量在理论上提供了无穷多维度的正交基,可用于信息编码,基于OAM复用技术的光通信可提升通信速率。然而,在无线光通信中,当携带OAM的光束在空间中传输时,易受大气湍流、雾霾或空气中尘埃的影响,微粒的多重散射严重降低光束质量,导致接收端的光束成为随机散斑,这增加了通信的误码率。因此,在强散射条件下解决光信息的精确传输和恢复,对于光通信的研究和应用具有重要意义。


                近日,中国科学技术大学物理学院李银妹、黄坤课题组在强散射环境下OAM光通信的研究中取得新进展。李银妹团队在克服生物组织强散射实现活体细胞光操控的研究基础上,特任副研究员龚雷与研究员黄坤合作将复杂介质光场调控技术应用于OAM光通信,实现了在强散射环境下的高质量光通信,研究成果以Optical orbital-angular-momentum-multiplexed data transmission under high scattering 为题于3月6日在线发表于自然出版集团旗下Light Science & Application 杂志上。


                在此项工作中,研究人员提出了一种基于散射矩阵的信息恢复技术(scattering matrix-assisted retrieval technique),简称SMART。利用该SMART平台,该团队从多次散射的光场中精确地提取了多个OAM信道上的信息。在光学传输实验中,该团队利用8和24个信道分别实现了灰度图和彩色图的精确传输,实验误码率低于0.08%,比之前的报道降低了20倍。该研究提出的SMART为散射环境下的自由空间光通信、光纤通信和量子通信提供了有效技术手段。


                来源:中国科学技术大学



                体布拉格光栅角度放大器



                中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室和高功率激光单元技术实验室联合针对光束大角度偏转系统中的角度放大器——级联复用体布拉格光栅进行了优化设计,成功制备出了工作波长为1064nm的3块4通道复用体布拉格光栅,级联得到的角度放大器具有12个通道,各通道的衍射效率均达80%以上,并具有良好的偏振无关特性。将该角度放大器与小角度连续偏转放大器件如液晶光学相控阵相结合可实现光束在±45°角范围的一维空间大角度连续偏转。


                非机械光束偏转技术广泛应用于激光雷达、自由空间光通信、高能激光系统等领域。大角度空域扫描在微波频段容易实现,而在近红外光波段,由于受到工艺水平及物理极限的限制,目前使用的单一器件如液晶光学相控阵(LCOPA)或者液晶偏振光栅等只能在小角度范围内连续偏转。为了实现高能激光系统中的空间大角度光束连续偏转,目前已有的一种方案是双LCOPA加体布拉格光栅的方法:第一层LCOPA通过对激光光束的小角度转向实现对全息光栅的照射部位选择,然后利用体布拉格光栅(VBG)实现激光光束的离散大角度偏转,最后利用LCOPA实现对出射光束偏转角度的精确控制和填充。目前,国际上关于VBG作为角放大器的研究除几项专利技术外,深入系统的理论研究和实验上的实现尚未见报道。


                在该项研究中,研究人员综合考虑了光热敏折变玻璃的最大折射率调制范围、较小的吸收损耗和走离距离要求、多通道之间的串扰影响,以及激光发散角对体光栅衍射效率的影响等因素后,进行了角度放大器的多参数优化设计。理论分析结果表明,光热敏折变玻璃的最大折射率调制范围和激光光束的发散角是限制体光栅各通道最大衍射效率的主要因素。多块多通道复用体光栅级联的方式可以有效解决这一问题。此外,通过对称的光栅通道设计,每块4通道光栅只需搭建2套曝光光路,大大提高了复用体光栅的制备效率。将多次曝光和单次热处理得到的几块复用体光栅依次级联,实验上实现了-45°~45°的一维大角度离散偏转,各通道衍射效率达80%以上并表现出偏振无关特性。该项工作为基于复用体光栅的角度放大器的理论设计和实验制备提供了清晰详实的指导,对促进复用体光栅在光束大角度连续偏转系统中的应用具有重要意义,同时也为基于复用体光栅的二维角度放大器的实现奠定了基础。


                来源:中国科学院上海光学精密机械研究所



                相变材料与超表面可调波前调控



                中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室近期在《先进科学》上发表封面学术论文,该研究结合相变材料与超表面实现了可调的光子自旋轨道相互作用,解决了目前基于超表面的平面光子器件功能固定不具备可调谐特性的难题,为未来动态可重构光子器件的实现提供了可行的方案。


                超表面可以实现对光束波前的灵活调控,在光通信、超分辨成像、全息显示等领域具有重要的应用。然而,目前超表面光学器件缺乏可调谐性,一旦制备出来其功能也随之固定,无法适用于动态光子器件领域。光电所研究团队提出了一种结合相变材料与超表面实现可调光子自旋轨道相互作用的新型超表面器件,其在不同状态下具有极高的偏振转化对比度。通过热、光、电等多种激励源可以调控相变材料的状态,从而实现可调的波前调控,在光束扫描、加密光通信与存储、动态显示等领域展现了巨大的应用潜力,为实现动态光学器件提供了一种新的思路。并且该器件结构简单,工艺制备难度低,为可调超表面光学器件的实际应用提供了可行方案。


                来源:中国科学院光电技术研究所