Nature: 新突破！室温稳定的连续波钙钛矿激光器
【背景介绍】
有鉴于此，中科院长春应化所的秦川江和九州大学 Chihaya Adachi 等人研究了不同有机阳离子的卤化铅准2D钙钛矿薄膜，并且在放大自发发射、光泵浦脉冲和连续激光中观察到长寿命的三重态激子显著地阻碍了粒子数反转。该研究结果表明，单线态三重态激子湮没是导致激光死亡的一种可能的内在机制通过使用具有高质量因子的分布式反馈腔，并应用三重态管理策略，可以在室温下在空气中连续光泵浦下获得稳定的准2D钙钛矿绿色准激光器。
如图1a所示，三线态能量可以转移至NMA，但是P2F8材料中则观察不到能量转移。为了测量ASE，作者在熔融石英上制备的P2F8和N2F8膜为纯立方相，不存在低维钙钛矿相，这与图1b的吸收光谱一致。图1c描绘了室温下一系列光泵浦强度下P2F8和N2F8薄膜的发射光谱变化。在低激发通量下，光致发光光谱类似于稳态发射曲线，半峰全宽（FWHM）为20 nm。当增加泵浦强度时，P2F8在550 nm处出现强发射肩峰，而N2F8在555 nm处出现强发射肩峰。FWHM值降低到4 nm，表明ASE的开始（图1d）。此外，作者还研究了在三种不同气体环境下（氧气，空气和氮气），ASE强度的演变（图1e）。结果显示P2F8的ASE强度在氮气中迅速衰减，而N2F8材料则较为稳定，作者认为这种差异来自于STA效应。
图1：P2F8和N2F8膜的化学结构和ASE性能
随后，作者将准2D钙钛矿旋涂到光栅的基板上制成面发射激光器件（图2a, b）,并进行激光发射强度研究（图2c）。如图2d, e，发射光谱显示P2F8和N2F8薄膜的激光发射波长分别为552 nm和559 nm。两种激光器的FWHM值均低至约0.45 nm，表明其品质因数超过1,000。P2F8激光器在39.3μJ cm-2的脉冲泵浦强度下在阈值以上工作时具有双瓣轮廓的远场图案（图2f）。
图2：P2F8和N2F8膜分布式反馈腔脉冲激光性质
P2F8和N2F8 激光器使用CW固态激光器作为激发源，在空气CW条件下运行。图3a，b表明，P2F8的发射峰在553 nm处的FWHM = 1 nm，而N2F8材料的发射峰位于555 nm，半峰宽为0.8 nm。在泵浦功率密度分别为59 W cm-2和45 W cm-2的情况下，P2F8和N2F8激光器具有清晰的阈值（图3c）。通过调整光栅的周期可以调节激光器件的发射波长（图3d）。在图3e中可以清楚地看到一个特征输出光束呈扇形，投影在白纸上时带有强烈的中央双瓣线。此外，P2F8的CW激射显示出强的线性横向极化(如何测量突破的强度 图3f)。表明作者成功在空气中实现了室温稳定的准2D钙钛矿材料连续波激光发射。
图3：P2F8和N2F8膜的连续波激光特征
Chuanjiang Qin, Atula S. D. Sandanayaka, Chenyang Zhao, Toshinori Matsushima, Dezhong Zhang, Takashi Fujihara & Chihaya Adachi, Stable room-temperature continuous-wave lasing in quasi-2D perovskite 如何测量突破的强度 films, Nature , 2020, DOI:10.1038/s41586-020-2621-1
碳纤维打印突破微重力环境，长征五号B火箭完成在轨3D打印
此次在试验船上搭载了一台我国自主研制的“复合材料空间3D打印系统”，科研人员将这台“3D打印机”安装在了试验船返回舱之中，飞行期间该系统自主完成了连续纤维增强复合材料的样件打印，并验证了微重力环境下复合材料3D打印的科学实验目标。航天科技集团五院529厂复合材料空间3D打印系统负责人祁俊峰：这是打印机本体，下面是供配电和控制区，我们开了个窗口，舱内的图像能实时（传）回来。这次打印的对象有两个，一个是蜂窝结构（代表航天器轻量化结构），另外一个是CASC标志。
3D科学谷Review
国际上，NASA和Made In Space公司开展了一项Archinaut TDM 项目，该项目的目标是在2020年将Archinaut 太空制造设备投入轨道空间建设中。Archinaut本质上是一个具有机器人手臂的3D打印机，可以自动地组装和打印结构件。通过测试的是用于组装空间站或探测车的大型梁结构件和其他部件。Archinaut已经能够制造复杂3D打印硬件和超空间结构，并在模拟环境下的外空间环境中成功通过了测试。
关于航天科技集团五院529厂的复合材料空间3D打印，在3D科学谷看来 用高性能工程塑料替代金属是实现航空航天领域实现轻量化的途径之一 。复合材料领域，对于制造业来说最重要的一个领域就是碳纤维增强材料，可以提供与金属相当的强度，又非常轻，碳纤维在需要考虑重量与强度比的行业包括航空航天、汽车、电子产品等领域都有广泛的应用前景。
根据3D科学谷的市场观察，进入2020年，国际上关于碳纤维3D打印的一个明显发展趋势是3D打印碳纤维复合材料的市场开始发力批量制造。 利用革命性的连续碳纤维增强功能使得产品更轻、更坚固、更智能，不仅是空间在轨制造，在工业、消费电子和汽车制造领域，连续碳纤维的3D打印都有着广阔的应用空间 。在这方面，国际上有不少的创业企业，将碳纤维的3D打印定位与制造领域。
根据3D科学谷的市场研究，成立于2017年的Arris Composites在短时间内A轮+B轮融资高达5850万美元（超过4亿人民币）。硬件、软件、材料、应用开发各种要素具备，Arris Composites吸引资本市场的原因来自于面向生产的解决方案， 管理团队来自UCLA加州贝克利分校及麻省理工、耶鲁的顶级校友资源，以及创始人团队先前的Arevo和TNO的工作经历。
来自美国硅谷的Arevo Labs不仅提供碳纤维工业级3D打印机，还提供3D打印的新型碳纤维和碳纳米管（CNT）增强型高性能材料，而且使用其专有的3D打印技术和专用软件算法可以使用市场上现有的长丝融熔3D打印机制造产品级的超强聚合物零部件。Arevo Labs正在进行将碳纳米管或其它纳米填料与纤维填充聚合物组合以生产具有优良的机械、电和热性能的3D打印材料。
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【研究成果】突破性化學分析技術 榮登國際期刊《Analytical Chemistry》
目前臺灣附近表層海水中的236U與238U的比值約為1 : 10 9 ，差別非常懸殊，想像一下，若238U的儀器訊號強度猶如臺灣南北縱長約400公里的距離之大，那236U的訊號則比指甲的厚度還要薄。天差地別的兩個同位素要同時精準測量，非常困難，況且巨大的238U訊號，有一小部分會散落各處，干擾甚至淹沒236U的訊號。在過去，236U /238U的測量，需要使用稀有且昂貴的加速質譜儀（AMS）分析，冗長分析的時間、高成本的經費、以及大量樣品量的需要，限制了此領域的發展。
為了讓236U /238U分析技術普及，由臺灣大學海洋所林卉婷助理教授主導，和臺灣大學地質系沈川洲講座教授、姜宏偉、余采倫博士後研究員及國際學者，共同建立突破性分析方法，利用地球化學、海洋化學機構普遍擁有，且分析成本較低的多接受器耦合電漿質譜儀 (MC-ICPMS)，搭配二次電子增幅器(SEM)發展新式測量技術，其所需樣品量是目前全球同等級測量中最少，僅需飛克(10 -15 g)的鈾-236，就能準確測量到236U /238U豐度比值。
團隊測量國際標準品IRMM-075系列與取自瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）的參考樣品ZUTRI重複測定236U/238U比值，結果顯示建立的新方法在測量1×10 −9 到1×10 −7 區間的236U/238U比值與世界公認值一致，確認新方法的測量準確度與可信度。
如何测量突破的强度
发布日期：2022-06-30 供稿：物理学院 摄影：物理学院
编辑：王莉蓉 审核：姜艳 阅读次数：
近期，北京理工大学物理学院姚裕贵教授课题组刘瑞斌教授、郭伟研究员，联合材料学院束庆海教授、夏敏教授、王俊峰副教授、机电学院张同来教授、张建国教授、郭学永副教授、计算机学院付莹教授等，在“微小药量含能材料爆炸性能及感度快速检测技术”方面取得重要突破。相关研究成果发表在近期的Journal of Materials Chemistry A（IF 14.511）、 Optics Express、Journal of Analytical Atomic Spectrometry（光谱学一区）等期刊上。北京理工大学物理学院2019级博士研究生王宪双为论文的第一作者，刘瑞斌教授和姚裕贵教授作为通讯作者，北京理工大学物理学院为第一通讯单位。
物理机制探索：弄清了激光与含能材料相互作用的微观物理机制，及超快等离子体过程和微爆动态物理化学过程相关演化机理，证明了激光微爆过程与宏观爆轰存在的强关联物理特性，并提出了微爆动力学物理模型，如图1所示。因此，可以通过对微爆过程的精密物理测量和分析，完成对含能材料爆速、爆压、生成焓等参数的定量分析以及爆温的预测。该成果发表在光学顶级期刊Optics Express上（Opt. Express, 2022, 30(4): 4718-4736.)
同时研究中发现在羽流膨胀和等离子体冷却过程中，振动态玻尔兹曼分布对应温度并非一直降低，而是在特定时间延迟下短暂恒定，如图3所示。这是由于含能材料放热物理化学反应放出的额外热量补偿了等离子体温度的持续衰变。因此，以特定延时下采集的高速动态图像作为输入数据，结合特征提取和线性SVR算法，建立了基于时间分辨图像及光谱的含能材料五爆参数（爆速、爆热、爆容、爆压、爆温）定量分析的机器学习模型，进而完成了27种含能材料的爆轰性能高精度预测，预测模型的平均预测误差均小于5%，如图4所示。该工作为含能材料爆轰性能的快速测试提供了一种低成本、高精度、高安全性、高通量的新原理、新方法、新思路，相比于高成本、高风险、低重复精度的传统宏观测试方法，优势显著。该成果发表在国际权威期刊J Materials Chemistry A（ 2022，10，13114-13123）上。
图4 （左）模型预测图：（a）爆速；（b）爆热；（c）爆容；（d）爆压；（e）爆温； （右）随机盲测结果
将脉冲激光聚焦到样品表面微米级范围内，焦点处产生激光等离子体，为含能材料的分解提供了一个局部高温高压环境。在高温等离子体火花中，伴随着强烈的放热化学反应，原子、离子、电子、分子碎片和一些自由基等相互碰撞，如图2（a）所示。化学反应释放能量需要电子参与，从而极大的影响了电子的冷却和复合过程。不同分子和晶体类型的含能材料的解离程度和解离速率都与感度有关，等离子体温度和电子密度都可以由谱线强度给出。研究表明，电子密度和撞击感度、等离子体温度和摩擦感度具有一定的关联性（如图5（b-c））。因此可以通过激光诱导等离子体的有效总辐射谱来评价含能材料的感度，结合等离子体特征光谱和统计学算法，可以很好地建立撞击、摩擦、静电和激光等感度预测模型，预测模型平均相对误差低于10%。该成果作为封底文章发表在原子光谱分析领域最高水平的学术期刊Journal of Analytical Atomic Spectrometry（2021, 36, 2603）上。