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近日，北京大學物理學院馬仁敏研究員課題組實驗發(fā)現(xiàn)了拓撲能帶反轉(zhuǎn)光場限制效應(yīng)，將拓撲態(tài)的利用由拓撲邊緣態(tài)擴展至拓撲體態(tài)，并基于此實現(xiàn)了一種高性能的拓撲體態(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》雜志以標題 “A high-performance topological bulk laser based on band-inversion-induced reflection” 進行長文報道。 激光器的發(fā)明加深了人們對光與物質(zhì)相互作用的認識，并對現(xiàn)代科學與技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動作用。至激光器發(fā)明以來，激光微型化始終是一個重要的研究方向。半導(dǎo)體激光器因為易于電泵浦和規(guī)模生產(chǎn)與集成等優(yōu)點，是激光微型化的首要選擇。經(jīng)過幾十年的發(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)以百億計的該型激光器被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通訊、激光雷達、人臉識別、數(shù)據(jù)存儲與醫(yī)療手術(shù)等領(lǐng)域。圖1：拓撲體態(tài)激光器原理和示意圖。(a) 用于構(gòu)造能帶反轉(zhuǎn)的拓撲態(tài)和拓撲平庸態(tài)光子晶體示意圖。(b) 實驗中發(fā)現(xiàn)能帶反轉(zhuǎn)可用來實現(xiàn)光場的反射和限制。(c) 垂直發(fā)射拓撲體態(tài)激光器示意圖。拓撲體態(tài)激光器出射方向垂直于光學腔反饋平面。 馬仁敏研究員與合作者提出并實現(xiàn)了一種新型垂直發(fā)射激光器—拓撲體態(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36 dB。這些性能與商業(yè)化激光二極管相當，根據(jù)IEEE以及相關(guān)工業(yè)標準，指標滿足多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域需求。 該類激光器的實現(xiàn)有賴于實驗中發(fā)現(xiàn)的一種新型光反射和限制機制：能帶反轉(zhuǎn)光場限制效應(yīng)。圖1給出了能帶反轉(zhuǎn)光場限制效應(yīng)和基于其實現(xiàn)拓撲體態(tài)激光器的原理和示意圖：實驗中首先通過對二維光子晶體進行變形操作，分別獲得了具有拓撲態(tài)和拓撲平庸態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)；相較于拓撲平庸態(tài)，拓撲態(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)；實驗和理論計算發(fā)現(xiàn)頻率靠近能帶邊緣的光場雖然在拓撲態(tài)和拓撲平庸態(tài)中都可以自由傳播，但是在兩者的界面處會發(fā)生能帶反轉(zhuǎn)引起的光場發(fā)射；該能帶反轉(zhuǎn)引起的光場反射和限制效應(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，光場反射和限制越有效，使得利用該類型反射機制構(gòu)建的拓撲體態(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：拓撲體態(tài)激光器件與性能。(a-b) 拓撲體態(tài)激光器諧振腔（a）和拓撲界面處（b）的電鏡圖。（c）隨功率變化的光譜。（d）激射光譜。（e）激射實空間近場分布。（f）激射角分辨遠場分布。 能帶反轉(zhuǎn)光場反射和限制效應(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調(diào)控機制。基于該原理構(gòu)建的新型拓撲激光器各項性能均達到了可商業(yè)化應(yīng)用的水平（圖2）。新的光場反射和限制機制將拓撲態(tài)的利用由拓撲邊緣態(tài)擴展至拓撲體態(tài)，同時該原理可以拓展到電子學、聲學和聲子學等領(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博士生冒芯蕊、楊振乾、訪問學生王少雷，以及日本國立材料研究所教授胡曉，學生王星翔。這項工作得到國家自然科學基金委、科技部、北京市自然科學基金、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、量子物質(zhì)科學協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。

本項目涉及盲人教育設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于合金材料驅(qū)動的盲文點顯器。通過點顯器設(shè)備的應(yīng)用將正常文字或語音轉(zhuǎn)換成實時變換的盲文供盲人觸摸辨別，在盲文教學，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，提出并實現(xiàn)了一種基于合金新材料的盲文顯示實現(xiàn)方案，該實現(xiàn)方案使得盲文點顯設(shè)備的成本大大降低，提高續(xù)航能力，減小設(shè)備體積，并可擴展運用于各類移動便攜式設(shè)備。 目前市面上盲文點顯器由于單點成本過高，限制了盲文點顯器在盲人群體中的普及和其他擴展應(yīng)用，利用我們的盲文點顯器可以制作成各種盲人專用的消費級便攜交互設(shè)備，讓盲人群體更好的融入社會，和正常人一樣生活。 現(xiàn)階段我們的項目已經(jīng)跟中國盲文出版社進行了合作，與愛國者等公司進行過洽談，并且已有投資人對我們項目提出了投資意向。在走訪盲人學校后了解到盲文點顯器在盲人的盲文教學中是不可替代的，但也由于目前的價格原因無法普及。目前整個項目處于中試階段。 基本設(shè)計思路： 利用合金材料，在自主設(shè)計的特殊機械連接結(jié)構(gòu)下，通過對材料的性能建模以及合理的控制算法，驅(qū)動盲文點陣的凹凸變換。 該項目的優(yōu)點： ①基于合金材料的設(shè)計方案： 整個盲文點顯器利用合金材料的特性，通過特定元件和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)盲文點陣凹凸變化。此方案降低了單點成本，從而使盲文點顯器的整體成本大大降低。 ②彈簧結(jié)構(gòu)： 特殊合金設(shè)計成彈簧形狀加以運用，保證了材料的壽命，在合金材料“cooling”狀態(tài)下兩個穩(wěn)態(tài)彈簧的同時作用，能使突起的點保持住，而不會因人為的壓迫而產(chǎn)生下降。整個點陣零部件的設(shè)計和凹凸方案的設(shè)計，使單盲文點上下兩個方向穩(wěn)定運動，也能使各點的運動相互獨立而不受影響。在盲文點陣凸起狀態(tài)不需要持續(xù)供電，因此可以實現(xiàn)類似電子水墨屏的效果。而在斷點以后可以保持其狀態(tài)，達到零功耗保持特性，從而降低整個樣機的功耗。

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

本項目設(shè)計和研制的低壓智能對線器是一種既可進行電纜故障檢測，同時又可對各種 遠距離電纜兩端逐一定位和標識的通用綜合測試設(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、布線與檢修工程，可極大地幫助解決施工、維護人員在安裝檢修電纜過程 中經(jīng)常遇到的由于導(dǎo)線數(shù)目較多且無法區(qū)分造成的難題，從而可以大大減輕施工、維護人員 工作強度，加快安裝或維修進度，減少系統(tǒng)排障時間和難度，節(jié)約大量的人力和物力。 裝置簡介： 低壓智能對線器包括發(fā)送器部分和接收器部分，發(fā)送器通過鱷魚夾一次連接多根電纜， 并通過分時方式向各電纜發(fā)送調(diào)頻編碼信號，接收器兩個探頭連接任意兩根電纜，可以測 量并顯示出正端連接電纜的序號。該儀器可用于電力、通信、電子等領(lǐng)域電纜布線或檢修 過程中，用作室內(nèi)與室外環(huán)境的遠距離電纜兩端序號測量，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、成果簡介 針對閥門的自動化控制是實現(xiàn)德國工業(yè)4.0的技術(shù)基礎(chǔ)，通過智能閥門定位器實現(xiàn)對現(xiàn)場的閥門開度控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化控制。 可以研發(fā)：智能閥門定位器等。2、應(yīng)用說明 通風機應(yīng)用對象：閥門等領(lǐng)域3、效益分析 高技術(shù)產(chǎn)品

該牽開器是將牽開器及心臟拉鉤等溶為一體，方便、靈活、實用性強，由鈦合金制做。該器的大體結(jié)構(gòu)為：①牽開器由齒條板、固定臂、活動臂、撥輪、搖柄把、檔板組成。齒條板長200mm，固定臂長175mm，活動臂長185mm，檔板固定，與兩臂直接相連，檔板長75mm，28mm，中間呈園弧過度。②活動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，

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143mm，固定臂長105mm，活動臂長108mm，固定檔板兩個，高度為12mm，寬度為25mm，檔板和固定臂、活動臂由板材一次成形，光滑，對人體組織不易擦傷。

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

為徹底解決強制循環(huán)蒸發(fā)器的不足，開發(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運動速度避免粘壁堵管現(xiàn)象的原理，進行了結(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，利用機械方式使加熱器旋轉(zhuǎn)起來，形成了溶液與加熱管的相對速度，解決了加熱管管外結(jié)料、結(jié)垢的問題，旋轉(zhuǎn)的加熱管束具有加熱、攪拌、混合、旋流推料等功用，實現(xiàn)了工藝創(chuàng)新和原理創(chuàng)新。

此專利產(chǎn)品是針對小型供水系統(tǒng)開發(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入凈水器的凝 聚層、絮凝層和過濾層，歷時 10～15 分鐘，完成絮凝反應(yīng)、沉淀和過濾過程，出水濁 度達到 0.5NTU 以下，超過國家標準要求。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、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，除有機物等較傳統(tǒng)工藝比率高； 5.安裝簡便，全自動控制運行。