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北京大學(xué)物理學(xué)院顏學(xué)慶教授和盧海洋研究員領(lǐng)導(dǎo)的課題組提出了激光驅(qū)動(dòng)光子對(duì)撞機(jī)的新方案，該方案每脈沖可以產(chǎn)生3億個(gè)Breit-Wheeler事件，并且所產(chǎn)生的正負(fù)電子對(duì)發(fā)散角只有7度，具有非常好的準(zhǔn)直性。同時(shí)，背景噪聲可以得到有效抑制，信噪比高達(dá)1000:1。研究成果以 “Creation of electron-positron pairs in photon-photon collisions driven by 10-PW laser pulses”為題在線發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。 根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程和量子電動(dòng)力學(xué)理論，在一定條件下光子（能量）可以轉(zhuǎn)化成物質(zhì)，這對(duì)研究物質(zhì)的起因有重要的作用。相關(guān)的理論研究始于上世紀(jì)30年代，直到1997年美國(guó)SLAC實(shí)驗(yàn)室才首次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到多光子碰撞產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的過程。然而，對(duì)于兩個(gè)高能光子的互作用過程，也就是常說的光子對(duì)撞機(jī)，到目前為止還未能在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到。在光子對(duì)撞機(jī)中，光子的互作用的次數(shù)與光子數(shù)目和光子互作用截面成正比，與光子束的脈沖寬度、兩束光子束的交疊面積成反比。在過去實(shí)驗(yàn)中不能觀測(cè)到光子的互作用過程是因?yàn)橐延匈ゑR射線源的流強(qiáng)和亮度還達(dá)不到要求。 近年來，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，特別是10拍瓦(1拍瓦=1e15瓦)激光器的建成，激光光強(qiáng)將可以達(dá)到1e23W/cm3以上。當(dāng)如此高強(qiáng)度的激光與物質(zhì)相互作用時(shí)，大部分激光能量被吸收并轉(zhuǎn)化成伽馬射線輻射源，如果可以有效控制伽馬射線的發(fā)散角，輻射的伽馬射線將會(huì)達(dá)到前所未有的流強(qiáng)和亮度。 團(tuán)隊(duì)研究人員在前期的工作中對(duì)產(chǎn)生超高亮度伽馬光源進(jìn)行了深入的研究，首次從理論上系統(tǒng)闡明了微通道結(jié)構(gòu)靶中，縱向電場(chǎng)主導(dǎo)了電子的加速過程，同時(shí)電子的橫向加速可以得到有效的抑制，因此可以獲得高準(zhǔn)直性的電子束，當(dāng)這些電子束在橫向場(chǎng)中的相位發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)，電子就會(huì)在管道邊界處產(chǎn)生強(qiáng)伽馬輻射。由于電子的發(fā)散角決定了伽馬輻射的發(fā)散角，因此可以獲得準(zhǔn)直性非常好的γ-ray輻射源。數(shù)值模擬中10PW激光所能獲得的發(fā)散角小于3度，亮度比之前研究報(bào)道結(jié)果高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)的伽馬輻射源。圖1. 激光驅(qū)動(dòng)光子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的方案設(shè)計(jì)圖2. 本方案可以獲得高出之前2-3量級(jí)的伽馬光源亮度 本工作即基于以上研究成果，將該超高亮度的伽馬射線應(yīng)用于光子對(duì)撞機(jī)。理論計(jì)算結(jié)果表明，該方案可以獲得超高信噪比（>1000:1）,且每一發(fā)正負(fù)電子對(duì)信號(hào)（>1e8）遠(yuǎn)高于現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)的探測(cè)極限。因此，通過該方案可以在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證光子互作用過程中由能量到物質(zhì)的轉(zhuǎn)換過程，將提供激光驅(qū)動(dòng)光子對(duì)撞機(jī)研究的新途徑，也將極大的促進(jìn)雙光子BW物理的發(fā)展。未來有望依據(jù)本方案建設(shè)基于重頻拍瓦飛秒激光的高亮度伽馬源及其應(yīng)用裝置。 北京大學(xué)物理學(xué)院博士后余金清為論文第一作者。顏學(xué)慶教授和盧海洋研究員為通訊作者。論文合作者還包括北京大學(xué)的陳佳洱院士、馬文君研究員，広島大學(xué)的T. Takahashi教授，高能物理所的黃永盛研究員。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、挑戰(zhàn)計(jì)劃和中國(guó)博士后科學(xué)基金的聯(lián)合資助。相關(guān)模擬工作得到北京大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)的支持。相關(guān)文章鏈接：Phys. Rev. Lett. 122, 014802 (2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.014802Appl. Phys. Lett. 112, 204103 (2018) https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5030942

"該成果創(chuàng)造性地利用高階非線性光學(xué)材料獲取醫(yī)學(xué)臨床診斷的關(guān)鍵信息。利用自主發(fā)明的雙光子熒光探針與雙光子光學(xué)CT成像的特性，首次獲取了可用于癌癥病理組織快速臨床診斷的熒光圖像。該技術(shù)是山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于曉強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)的原創(chuàng)，國(guó)際、國(guó)內(nèi)均沒有同類工作。該成果將直接帶動(dòng)三個(gè)高附加值的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)： 1. 新材料產(chǎn)業(yè)：雙光子熒光探針 2. 新設(shè)備產(chǎn)業(yè)：臨床專用雙光子熒光顯微鏡產(chǎn)業(yè) 3. 新技術(shù)產(chǎn)業(yè)：技術(shù)人員培訓(xùn)、臨床服務(wù)產(chǎn)業(yè) "

光子首先從納米波導(dǎo)直接折射進(jìn)入微腔混沌模式，其角動(dòng)量較小，對(duì)應(yīng)于光子在微腔界面的反射角較小。與旋轉(zhuǎn)對(duì)稱微腔不同，混沌運(yùn)動(dòng)使得光子角動(dòng)量不斷發(fā)生變化。尤其引人注目的是，微腔內(nèi)的混沌光子運(yùn)動(dòng)并非毫無規(guī)律，而是遵循特定的短時(shí)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)入射光子的角動(dòng)量在皮秒時(shí)間尺度內(nèi)（一皮秒相當(dāng)于一萬億分之一秒）隨混沌運(yùn)動(dòng)從小到大的快速轉(zhuǎn)換。當(dāng)混沌光子的角動(dòng)量接近回音壁模式角動(dòng)量時(shí)，二者之間可以發(fā)生共振隧穿過程。得益于光子角動(dòng)量在混沌運(yùn)動(dòng)中的快速轉(zhuǎn)換，此創(chuàng)新方法可以實(shí)現(xiàn)納米尺度波導(dǎo)與回音壁光學(xué)模式的超寬帶耦合。

可以量產(chǎn)/n波長(zhǎng)范圍905-1064nm、水平、垂直發(fā)散角<10度；直流輸出功率>5W;窄脈沖輸出功率>20W;光子晶體激光器模塊窄脈沖輸出功率>130W；并與傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器工藝相兼容。此外還開展了808nm、980nm和1064nm等波段光子晶體激光器研究。“先進(jìn)半導(dǎo)體光子晶體激光器技術(shù)研究”獲得2013年度北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，光子晶體高功率高亮度激光器被評(píng)為“2014中國(guó)光學(xué)重要成果”。市場(chǎng)預(yù)期：半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核

基于InGaAs-APD的超靈敏高速光電探測(cè)模塊，探測(cè)波段覆蓋900 -1700 nm，探測(cè)效率最高可達(dá)25%。采用先進(jìn)的正弦頻譜濾波技術(shù)，支持GHz以上的單光子探測(cè)。此外，得益于先進(jìn)的噪聲抑制和弱信號(hào)處理技術(shù)，GHz 單光子探測(cè)器在如此高的工作頻率下依然可以保持5×10-6/pulse的暗計(jì)數(shù)水平，以及小于5%的后脈沖概率。而多通道GHz單光子探測(cè)器的集成，可實(shí)現(xiàn)高速的光子數(shù)可分辨探測(cè)，拓展量子探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍。 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)： 通道數(shù)： ≥4 工作頻率：1-2.5GHz 探測(cè)效率：1-25% 連續(xù)可調(diào) 暗計(jì)數(shù)： 工作頻率1-1.5GHz：≤ 5×10-6/pulse 工作頻率2-2.5GHz：≤ 1×10-5/pulse 后脈沖： ≤ 5% 死時(shí)間： 3 ~ 10 ns (暗計(jì)數(shù)后脈沖指標(biāo)均在10%探測(cè)效率下測(cè)得) 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)： 國(guó)際上首次提出“一種低時(shí)間抖動(dòng)低噪的吉赫茲單光子探測(cè)方法”，通過頻譜分析的方法將低通濾波和平衡相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高速高性能InGaAs APD單光子探測(cè)，被國(guó)內(nèi)外單光子探測(cè)領(lǐng)域的專家同行廣泛引用。基于該技術(shù)所研制的GHz單光子探測(cè)器通過華東電子測(cè)量?jī)x器研究所光電計(jì)量校準(zhǔn)中心（國(guó)防科技工業(yè)光電子一級(jí)計(jì)量站）鑒定檢測(cè)，性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際同類儀器先進(jìn)水平。“單光子探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)與儀器開發(fā)”獲2012年上海市科技發(fā)明二等獎(jiǎng)（第十完成人）此外，在此基礎(chǔ)上，將室溫單光子探測(cè)的速率提升到GHz以上，與國(guó)際水平相對(duì)比，工作頻率提升到了1.5GHz，后脈沖誤計(jì)數(shù)概率亦有所下降，探測(cè)效率為21%時(shí)，后脈沖概率僅為1.4%。

光擴(kuò)散膜是具有很好的光透過性能和光散射性能的一類材料。它能夠 將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)化為面光源，使入射光束光強(qiáng)在空間一定范圍內(nèi)均勻分布。 光擴(kuò)散材料在照明領(lǐng)域和顯示領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,如應(yīng)用于液晶顯示 的背光、透射型屏幕、照明器具、燈飾看板等。LED 用于普通照明、背光源、新能源汽車照明、軌道交通照明等有 著巨大潛力，但 LED 是點(diǎn)光源，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)光點(diǎn)，無法用眼睛直視， 若一直生活在高亮度的 LED 光源周圍，LED 光源所形成的強(qiáng)光點(diǎn)會(huì)

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