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近日，北京大學(xué)物理學(xué)院馬仁敏研究員課題組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了拓?fù)淠軒Х崔D(zhuǎn)光場(chǎng)限制效應(yīng)，將拓?fù)鋺B(tài)的利用由拓?fù)溥吘墤B(tài)擴(kuò)展至拓?fù)潴w態(tài)，并基于此實(shí)現(xiàn)了一種高性能的拓?fù)潴w態(tài)激光器。這種新型激光器具有垂直出射、高方向性、小體積、低閾值、窄線(xiàn)寬、單橫模、單縱模和高邊模抑制比等優(yōu)異特性。相關(guān)工作被《Nature Nanotechnology》雜志以標(biāo)題 “A high-performance topological bulk laser based on band-inversion-induced reflection” 進(jìn)行長(zhǎng)文報(bào)道。 激光器的發(fā)明加深了人們對(duì)光與物質(zhì)相互作用的認(rèn)識(shí)，并對(duì)現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。至激光器發(fā)明以來(lái)，激光微型化始終是一個(gè)重要的研究方向。半導(dǎo)體激光器因?yàn)橐子陔姳闷趾鸵?guī)模生產(chǎn)與集成等優(yōu)點(diǎn)，是激光微型化的首要選擇。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的微型化已經(jīng)取得了巨大的成就。尤其是具有垂直出射特性的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），目前已有數(shù)以百億計(jì)的該型激光器被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通訊、激光雷達(dá)、人臉識(shí)別、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與醫(yī)療手術(shù)等領(lǐng)域。圖1：拓?fù)潴w態(tài)激光器原理和示意圖。(a) 用于構(gòu)造能帶反轉(zhuǎn)的拓?fù)鋺B(tài)和拓?fù)淦接箲B(tài)光子晶體示意圖。(b) 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)能帶反轉(zhuǎn)可用來(lái)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的反射和限制。(c) 垂直發(fā)射拓?fù)潴w態(tài)激光器示意圖。拓?fù)潴w態(tài)激光器出射方向垂直于光學(xué)腔反饋平面。 馬仁敏研究員與合作者提出并實(shí)現(xiàn)了一種新型垂直發(fā)射激光器—拓?fù)潴w態(tài)激光器。這種新型激光器直徑只有數(shù)微米，具有良好的垂直發(fā)射方向性, 窄線(xiàn)寬，單橫模、單縱模，能夠在室溫下以千瓦每平方厘米閾值穩(wěn)定工作，單模輸出邊模抑制比超過(guò)36 dB。這些性能與商業(yè)化激光二極管相當(dāng)，根據(jù)IEEE以及相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，指標(biāo)滿(mǎn)足多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域需求。 該類(lèi)激光器的實(shí)現(xiàn)有賴(lài)于實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的一種新型光反射和限制機(jī)制：能帶反轉(zhuǎn)光場(chǎng)限制效應(yīng)。圖1給出了能帶反轉(zhuǎn)光場(chǎng)限制效應(yīng)和基于其實(shí)現(xiàn)拓?fù)潴w態(tài)激光器的原理和示意圖：實(shí)驗(yàn)中首先通過(guò)對(duì)二維光子晶體進(jìn)行變形操作，分別獲得了具有拓?fù)鋺B(tài)和拓?fù)淦接箲B(tài)的能帶結(jié)構(gòu)；相較于拓?fù)淦接箲B(tài)，拓?fù)鋺B(tài)的光子晶體能帶結(jié)構(gòu)中發(fā)生偶極子和四極子能帶間的能量反轉(zhuǎn)；實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)頻率靠近能帶邊緣的光場(chǎng)雖然在拓?fù)鋺B(tài)和拓?fù)淦接箲B(tài)中都可以自由傳播，但是在兩者的界面處會(huì)發(fā)生能帶反轉(zhuǎn)引起的光場(chǎng)發(fā)射；該能帶反轉(zhuǎn)引起的光場(chǎng)反射和限制效應(yīng)僅發(fā)生在布里淵區(qū)中心附近，越靠近布里淵區(qū)中心，光場(chǎng)反射和限制越有效，使得利用該類(lèi)型反射機(jī)制構(gòu)建的拓?fù)潴w態(tài)激光器具有單橫模、單縱模、面內(nèi)反饋、垂直出射等優(yōu)異特性。圖2：拓?fù)潴w態(tài)激光器件與性能。(a-b) 拓?fù)潴w態(tài)激光器諧振腔（a）和拓?fù)浣缑嫣帲╞）的電鏡圖。（c）隨功率變化的光譜。（d）激射光譜。（e）激射實(shí)空間近場(chǎng)分布。（f）激射角分辨遠(yuǎn)場(chǎng)分布。 能帶反轉(zhuǎn)光場(chǎng)反射和限制效應(yīng)為激光物理提供了一種新穎的激光模式選擇和出射光場(chǎng)調(diào)控機(jī)制。基于該原理構(gòu)建的新型拓?fù)浼す馄鞲黜?xiàng)性能均達(dá)到了可商業(yè)化應(yīng)用的水平（圖2）。新的光場(chǎng)反射和限制機(jī)制將拓?fù)鋺B(tài)的利用由拓?fù)溥吘墤B(tài)擴(kuò)展至拓?fù)潴w態(tài)，同時(shí)該原理可以拓展到電子學(xué)、聲學(xué)和聲子學(xué)等領(lǐng)域。 該工作發(fā)表于Nature Nanotechnology (DOI: 10.1038/s41565-019-0584-x)，馬仁敏研究員為論文通訊作者；北京大學(xué)博士后邵增凱、博士生陳華洲和王所為共同第一作者；其他作者包括北京大學(xué)博士生冒芯蕊、楊振乾、訪問(wèn)學(xué)生王少雷，以及日本國(guó)立材料研究所教授胡曉，學(xué)生王星翔。這項(xiàng)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、北京市自然科學(xué)基金、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。

本項(xiàng)目涉及盲人教育設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于合金材料驅(qū)動(dòng)的盲文點(diǎn)顯器。通過(guò)點(diǎn)顯器設(shè)備的應(yīng)用將正常文字或語(yǔ)音轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)變換的盲文供盲人觸摸辨別，在盲文教學(xué)，盲人閱讀等方面起到極其重要的作用。我們作品的關(guān)鍵技術(shù)為全部自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于合金新材料的盲文顯示實(shí)現(xiàn)方案，該實(shí)現(xiàn)方案使得盲文點(diǎn)顯設(shè)備的成本大大降低，提高續(xù)航能力，減小設(shè)備體積，并可擴(kuò)展運(yùn)用于各類(lèi)移動(dòng)便攜式設(shè)備。 目前市面上盲文點(diǎn)顯器由于單點(diǎn)成本過(guò)高，限制了盲文點(diǎn)顯器在盲人群體中的普及和其他擴(kuò)展應(yīng)用，利用我們的盲文點(diǎn)顯器可以制作成各種盲人專(zhuān)用的消費(fèi)級(jí)便攜交互設(shè)備，讓盲人群體更好的融入社會(huì)，和正常人一樣生活。 現(xiàn)階段我們的項(xiàng)目已經(jīng)跟中國(guó)盲文出版社進(jìn)行了合作，與愛(ài)國(guó)者等公司進(jìn)行過(guò)洽談，并且已有投資人對(duì)我們項(xiàng)目提出了投資意向。在走訪盲人學(xué)校后了解到盲文點(diǎn)顯器在盲人的盲文教學(xué)中是不可替代的，但也由于目前的價(jià)格原因無(wú)法普及。目前整個(gè)項(xiàng)目處于中試階段。 基本設(shè)計(jì)思路： 利用合金材料，在自主設(shè)計(jì)的特殊機(jī)械連接結(jié)構(gòu)下，通過(guò)對(duì)材料的性能建模以及合理的控制算法，驅(qū)動(dòng)盲文點(diǎn)陣的凹凸變換。 該項(xiàng)目的優(yōu)點(diǎn)： ①基于合金材料的設(shè)計(jì)方案： 整個(gè)盲文點(diǎn)顯器利用合金材料的特性，通過(guò)特定元件和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)盲文點(diǎn)陣凹凸變化。此方案降低了單點(diǎn)成本，從而使盲文點(diǎn)顯器的整體成本大大降低。 ②彈簧結(jié)構(gòu)： 特殊合金設(shè)計(jì)成彈簧形狀加以運(yùn)用，保證了材料的壽命，在合金材料“cooling”狀態(tài)下兩個(gè)穩(wěn)態(tài)彈簧的同時(shí)作用，能使突起的點(diǎn)保持住，而不會(huì)因人為的壓迫而產(chǎn)生下降。整個(gè)點(diǎn)陣零部件的設(shè)計(jì)和凹凸方案的設(shè)計(jì)，使單盲文點(diǎn)上下兩個(gè)方向穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，也能使各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立而不受影響。在盲文點(diǎn)陣凸起狀態(tài)不需要持續(xù)供電，因此可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似電子水墨屏的效果。而在斷點(diǎn)以后可以保持其狀態(tài)，達(dá)到零功耗保持特性，從而降低整個(gè)樣機(jī)的功耗。

激光發(fā)射的光打到被測(cè)工件的表面，散射回來(lái)的光被透鏡匯聚到光電接收器上。被測(cè)物體的位置發(fā)生變化時(shí)，光電接收器上光點(diǎn)的位置也會(huì)發(fā)生變化，由此檢測(cè)到物體位置的變化。現(xiàn)已開(kāi)發(fā)兩種，分別成功應(yīng)用于靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量。 主要功能和技術(shù)指標(biāo)： 非接觸式測(cè)量，適用于任何非鏡面的粗糙表面物體的檢測(cè)；測(cè)量范圍可以根據(jù)用戶(hù)要求選擇，從10mm~200mm；測(cè)量誤差小于0.5%。 傳感器目前已成功應(yīng)用于輪對(duì)幾何參數(shù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、非接觸式靜態(tài)軌道測(cè)量小車(chē)、軌檢車(chē)等。已制造100套以上。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)和研制的低壓智能對(duì)線(xiàn)器是一種既可進(jìn)行電纜故障檢測(cè)，同時(shí)又可對(duì)各種 遠(yuǎn)距離電纜兩端逐一定位和標(biāo)識(shí)的通用綜合測(cè)試設(shè)備。該設(shè)備主要面向于電力、通信、電子 等領(lǐng)域電纜安裝、布線(xiàn)與檢修工程，可極大地幫助解決施工、維護(hù)人員在安裝檢修電纜過(guò)程 中經(jīng)常遇到的由于導(dǎo)線(xiàn)數(shù)目較多且無(wú)法區(qū)分造成的難題，從而可以大大減輕施工、維護(hù)人員 工作強(qiáng)度，加快安裝或維修進(jìn)度，減少系統(tǒng)排障時(shí)間和難度，節(jié)約大量的人力和物力。 裝置簡(jiǎn)介： 低壓智能對(duì)線(xiàn)器包括發(fā)送器部分和接收器部分，發(fā)送器通過(guò)鱷魚(yú)夾一次連接多根電纜， 并通過(guò)分時(shí)方式向各電纜發(fā)送調(diào)頻編碼信號(hào)，接收器兩個(gè)探頭連接任意兩根電纜，可以測(cè) 量并顯示出正端連接電纜的序號(hào)。該儀器可用于電力、通信、電子等領(lǐng)域電纜布線(xiàn)或檢修 過(guò)程中，用作室內(nèi)與室外環(huán)境的遠(yuǎn)距離電纜兩端序號(hào)測(cè)量，其室外典型應(yīng)用如圖 1 所示， 室內(nèi)典型應(yīng)用如圖 2 所示。

1、成果簡(jiǎn)介 針對(duì)閥門(mén)的自動(dòng)化控制是實(shí)現(xiàn)德國(guó)工業(yè)4.0的技術(shù)基礎(chǔ)，通過(guò)智能閥門(mén)定位器實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的閥門(mén)開(kāi)度控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化控制。 可以研發(fā)：智能閥門(mén)定位器等。2、應(yīng)用說(shuō)明 通風(fēng)機(jī)應(yīng)用對(duì)象：閥門(mén)等領(lǐng)域3、效益分析 高技術(shù)產(chǎn)品

該牽開(kāi)器是將牽開(kāi)器及心臟拉鉤等溶為一體，方便、靈活、實(shí)用性強(qiáng)，由鈦合金制做。該器的大體結(jié)構(gòu)為：①牽開(kāi)器由齒條板、固定臂、活動(dòng)臂、撥輪、搖柄把、檔板組成。齒條板長(zhǎng)200mm，固定臂長(zhǎng)175mm，活動(dòng)臂長(zhǎng)185mm，檔板固定，與兩臂直接相連，檔板長(zhǎng)75mm，28mm，中間呈園弧過(guò)度。②活動(dòng)臂上有固定拉鉤的支架，使拉鉤可任意調(diào)節(jié)方向。③設(shè)有心房和心室拉鉤各2個(gè)，

由齒條板，固定臂，撥輪，搖柄把，檔板組成。采用稀有金屬鈦合金制作，齒條板長(zhǎng)143mm，固定臂長(zhǎng)105mm，活動(dòng)臂長(zhǎng)108mm，固定檔板兩個(gè)，高度為12mm，寬度為25mm，檔板和固定臂、活動(dòng)臂由板材一次成形，光滑，對(duì)人體組織不易擦傷。

棉條檢測(cè)傳感器是一種高精度、高靈敏的硅微力傳感器，主要應(yīng)用于紡織機(jī)械中并條機(jī)、梳棉機(jī)動(dòng)性等前紡設(shè)備的棉條在線(xiàn)檢測(cè)以及紡織質(zhì)量的控制檢測(cè)。國(guó)外棉條檢測(cè)傳感器的敏感元件采用橋式金屬應(yīng)變片結(jié)構(gòu)，存在著測(cè)量靈敏度低的缺點(diǎn)。該傳感器具有靈敏度高、精度高、動(dòng)態(tài)特性好、可靠性能好、體積小、重量輕等特點(diǎn)。

為徹底解決強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器的不足，開(kāi)發(fā)了新型高效節(jié)能蒸發(fā)濃縮器，利用傳統(tǒng)蒸發(fā)器的溶液與加熱管間需形成一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度避免粘壁堵管現(xiàn)象的原理，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，加熱蒸汽設(shè)置在管內(nèi)，管外與蒸發(fā)溶液直接接觸，利用機(jī)械方式使加熱器旋轉(zhuǎn)起來(lái)，形成了溶液與加熱管的相對(duì)速度，解決了加熱管管外結(jié)料、結(jié)垢的問(wèn)題，旋轉(zhuǎn)的加熱管束具有加熱、攪拌、混合、旋流推料等功用，實(shí)現(xiàn)了工藝創(chuàng)新和原理創(chuàng)新。

此專(zhuān)利產(chǎn)品是針對(duì)小型供水系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一體化凈水設(shè)備，是傳統(tǒng)一體化凈水設(shè)備的 改進(jìn)和更新?lián)Q代產(chǎn)品，亦可用于中水回用工程。原水投加絮凝劑后依次進(jìn)入凈水器的凝 聚層、絮凝層和過(guò)濾層，歷時(shí) 10～15 分鐘，完成絮凝反應(yīng)、沉淀和過(guò)濾過(guò)程，出水濁 度達(dá)到 0.5NTU 以下，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。主要特性如下： 1.采用特制異型塑料顆粒材料，快速完成凝聚反應(yīng)； 2.采用特制高效陶粒材料，吸污和含污能力強(qiáng)、絮凝效率高； 3.雙濾板結(jié)構(gòu)，分層小膨脹反洗，不亂層，反洗效果好，耗水少； 4.利用巨大的吸附表面積，除有機(jī)物等較傳統(tǒng)工藝比率高； 5.安裝簡(jiǎn)便，全自動(dòng)控制運(yùn)行。