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2016年光学界十大科研突破

来源:中国激光|

发表时间:2017-01-11

点击:418

回顾2016年,光学领域发生的很多事件都值得铭记。我们特从全球光学界精选出10项科研突破,带领大家重温2016年那些与“光”有关的日子。


1. 一次历史性的涟漪


LIGO Hanford(上图)和Livingston(下图)探测器所观测到的GW150914引力波事件


2016年2月11日,激光干涉仪引力波天文台(LIGO)科学合作组织向全世界宣布:人类首次直接探测到了引力波。这个被命名为GW150914的引力波事件,发生于距离地球十几亿光年之外的遥远星系中。该信号于2015年9月14日由LIGO位于美国Hanford与Livingston的两台探测器同时观测到。该发现结束了长达数十年时空涟漪的寻找,标志着引力波天文学时代的开始。同时它为爱因斯坦的广义相对论最后一个未经证实的预言提供了重要验证。LIGO科学合作组织于2016年6月宣布在LIGO 探测器的数据中确认了又一起引力波事件GW151226,它发生在2015年12月26日,科学家们第二次观测到引力波。基于这些革命性的成就,激光干涉引力波天文台(LIGO)科学家团队获得2016物理世界年度突破大奖。


2. 我国科学家成功利用超强超短激光获得“反物质”


超强超短激光产生正电子示意图


2016年3月,中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室利用超强超短激光,成功产生反物质——超快正电子源,这是我国首次报道利用激光产生反物质。获得反物质超快正电子源将对激光驱动正负电子对撞机等具有重要意义。未来,在高能物理、材料无损探测、癌症诊断技术研发领域有应用前景,由于其脉宽只有飞秒量级,可使探测的时间分辨大大提高,有望获得更高分辨率的正电子成像,进而研究物质性质的超快演化。


3. 轨道角动量微激光器


轨道角动量微型激光器示意图


2016年7月,布法罗大学的研究人员在《自然》杂志发表论文称,他们揭示了一种“螺旋涡流形激光”,用轨道角动量(OAM)这一光操作技术来推动激光技术的发展。他们用轨道角动量(OAM)以螺旋状图案分布激光,并证明了半导体环形谐振腔激光器可以产生单模OAM漩涡激光,能精确定义OAM模式拓扑电荷。相比常规的激光而言,光束的形状使其在光通信的数据编码方面拥有更大的自由度。该全新技术使用了通过螺旋路径运行的漩涡光束,从而将数据编码为漩涡式扭曲。这种基于光的通信工具,能在螺旋路径中实现大量数据的快速传输,进而解决随着信息共享需求不断增长而带来的数据传输的潜在瓶颈。


4. 世界首颗量子通信卫星升空


量子通信卫星概念图


2016年8月16日凌晨,人类历史上第一颗用于量子通信研究的量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉发射升空,为建立覆盖全球、天地一体化的量子通信网络奠定了技术基础,也拉开了量子通信时代的帷幕。半个世纪前,物理学家基于量子理论,研制出了晶体管和激光器,催生了第一次信息革命,让计算机、智能手机和互联网重塑了人类世界。今天,量子信息科学技术的高速发展,则催生着第二次信息革命的出现。以“量子密钥分发”和“量子态传输”为代表的量子通信技术,以超高计算能力为代表的量子计算机,必将在未来重塑人类世界。


5. 中国空间冷原子钟定时世界


由上海光机所研制的空间冷原子钟


2016年9月15日,由中科院上海光机所研制的空间冷原子钟搭乘“天宫二号”空间实验室来到太空。这台“定时神针”能够实现约3000万年误差1秒的超高精度,是国际首台在轨运行并开展科学实验的空间冷原子钟,也是目前在空间运行的最高精度空间冷原子钟。空间冷原子钟的成功将为空间高精度时频系统、空间冷原子物理、空间冷原子干涉仪、空间冷原子陀螺仪等各种量子敏感器奠定技术基础,并且在全球卫星导航定位系统、深空探测、广义相对论验证、引力波测量、地球重力场测量、基本物理常数测量等一系列重大技术和科学发展方面做出重要贡献。


6. 中科院成功研制光谱“解码芯片”母机


科研人员在为光栅检测做准备工作


2016年11月11日,中国科学院长春光机所成功研制出大型高精度衍射光栅刻划系统,并刻划出世界最大面积的中阶梯光栅(400mm×500mm),光栅刻划系统和光栅都达到国际领先水平。该成果结束了我国高精度大尺寸光栅制造受制于人的局面,填补了国内空白。研制成功的光栅刻划机刻槽精度可以在约20公里行程范围内保证刻槽间距误差小于一根头发丝的千分之一。


7. 量子通信再获突破 “十光子”纠缠刷新纪录


十光子纠缠偏振态实验装置图


2016年11月,中国科学技术大学潘建伟及其同事陆朝阳、陈宇翱等组成的研究小组在国际上首次成功实现十光子纠缠,打破了之前由该研究组保持多年的八光子纪录,再次刷新了光子纠缠态制备的世界纪录。潘建伟小组利用两种不同的技术途径制备了收集效率、保真度和光子全同性这三个综合性能国际最优的脉冲纠缠光子源,并在此基础上,实现了十光子纯纠缠和可提纯纠缠态的实验制备和严格验证。这一突破表明我国继续引领国际多光子纠缠和干涉度量研究,研究成果将可应用于远程量子通信和实用化量子计算等大尺度量子信息技术。


8. 信息科学角度的编码超材料


编码超材料能够将远场辐射方向图向任意设计方向任意偏转


东南大学崔铁军教授课题组提出了一种新型人工电磁编码超材料,这是一种通过全数字的方式对超材料进行表征、分析和设计的全数字超材料,相比于传统的基于等效媒质理论的“模拟超材料”,编码超材料对电磁波的调控功能取决于所赋予的编码序列,极大地简化了设计流程和难度。得益于编码超材料基于全数字分析这一属性,他们创新性地将信号处理中的离散卷积定理应用于远场方向图的调控,即通过在已有的编码图案上叠加另一个梯度编码序列,即可将其远场辐射方向图朝着某个设计方向任意偏转,这种将远场方向图旋转到更大角度的操作类似于傅里叶变换中将基带信号搬移到高频载波的过程。同时,他们首次提出利用信息熵来分析和估计编码超材料所蕴含信息量的大小,揭示了编码图案的几何熵与远场方向图的物理熵之间的正比关系,并指出这一新发现将有助于推进编码超材料在多波束无线通信、雷达探测以及压缩感知成像等领域的应用。


9. 我国首颗碳卫星发射成功 高光谱微纳卫星伴航


“碳卫星”发射升空瞬间


2016年12月22日3时22分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将全球二氧化碳监测科学实验卫星(简称“碳卫星”)发射升空。这是我国首颗、全球第三颗专门用于“看”全球大气中二氧化碳含量的卫星。此外,本次任务还搭载发射中科院微小卫星创新研究院自主安排研制的1颗高分辨率微纳卫星和2颗高光谱微纳卫星。卫星发射后,将用于全球地表高光谱数据快速采集,服务国家农业估产、林业病虫害监测、环境保护、灾害监测和资源开发,是实现“光谱中国”目标的重要环节。


10. ALPHA研究小组首次观察到了反物质的光谱


欧洲核子研究中心


2016年12月,位于日内瓦的欧洲核子研究中心的ALPHA研究小组首次测量一个反物质原子的光谱,为高精度的反物质的研究开辟了一个崭新的时代。它的结果是欧洲核子研究中心反物质委员会超过20年的工作成果。随着达到了由慢反质子实现的原子光谱和碰撞实验建立的电子和反质子质量比以及BASE合作组织确定的荷质比的极限,这表明欧洲核子研究中心的反物质的基本对称性测试迅速成熟。(来自:中国激光)

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