Broadband wavelength-swept Cr⁴⁺:YAG crystal fiber laser

Professor Sheng-Lung Huang

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 黃升龍教授

We present a broadband wavelength-swept laser using a 16-μm-core-diameter Cr⁴⁺:YAG crystal fiber as the gain medium. The laser-diode-pumped crystal fiber laser has a threshold of only 102 mW due to the low propagation loss and high heat dissipation efficiency. The laser achieves a sweeping wavelength range of 134 nm, centered around 1425 nm, with a scanning speed of 163k nm/s. Notably, the cross-polarization-coupled excited state absorption of the signal wavelength constrained the long-wavelength lasing limit. This laser has the potential for swept source optical coherence tomography applications, providing an axial resolution of 11.4 μm.

Reference:

Y. H. Li, Y. W. Lee, and S. L. Huang, "Broadband wavelength-swept Cr⁴⁺:YAG crystal fiber laser," Optics Express 31(20), pp. 32772–32782, 2023.

True-H&E Rapid Fresh Pathology Assisted with Mesoscale Nonlinear Optical Gigascope

Professor Chi-Kuang Sun

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 孫啟光教授

Hematoxylin and Eosin (H&E)-based frozen section (FS) pathology is presently the global standard for intraoperative tumor assessment (ITA). Preparation of frozen section is labor intensive, which might consume up-to 30 minutes, and is susceptible to freezing artifacts. An FS-alternative technique is thus necessary, which is sectioning-free, artifact-free, fast, accurate, and reliably deployable without machine learning and/or additional interpretation training.

Our team develop a training-free true-H&E Rapid Fresh digital-Pathology (the-RFP) technique which is 4 times faster than the conventional preparation of frozen sections. The-RFP is assisted by a mesoscale Nonlinear Optical Gigascope (mNLOG) platform with a streamlined rapid artifact-compensated 2D large-field mosaic-stitching (rac2D-LMS) approach. A sub-6-minute True-H&E Rapid whole-mount-Soft-Tissue Staining (the-RSTS) protocol is introduced for soft/frangible fresh brain specimens. The mNLOG platform utilizes third harmonic generation (THG) and two-photon excitation fluorescence (TPEF) signals from H and E dyes, respectively, to yield the-RFP images.

Our team demonstrate the-RFP technique on fresh excised human brain specimens. The-RFP enables optically-sectioned high-resolution 2D scanning and digital display of a 1 cm² area in <120 seconds with 3.6 Gigapixels at a sustained effective throughput of >700 M bits/sec, with zero post-acquisition data/image processing. Training-free blind tests considering 50 normal and tumor-specific brain specimens obtained from 8 participants reveal 100% match to the respective formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE)-biopsy outcomes.

In conclusion, we provide a digital ITA solution: the-RFP, which is potentially a fast and reliable alternative to FS-pathology. With H&E-compatibility, the-RFP eliminates color- and morphology-specific additional interpretation training for a pathologist, and the-RFP-assessed specimen can reliably undergo FFPE-biopsy confirmation.

論文題目：矽基蕭特基熱載子寬頻光偵測器之研究

姓名：蘇子鈞   指導教授：林清富教授

摘要

隨著物聯網技術的發展，我們的生活變得越來越便利。光子感應器作為關鍵技術，能夠將入射光轉換為電信號，因此受到關注。因應微型智能設備的發展需求，新一代光探測器需要與矽基集成電路兼容，以提供高級計算和分析功能。本研究主要探討鉻/矽蕭特基二極體感測器，透過鉻和矽基板之間的蕭特基接面，微弱的中紅外光響應被初步觀察。透過界面工程解決蕭特基界面常見的費米能階釘札效應後，能障高度降至0.49 eV和0.47 eV，接近理論值0.45 eV，雜訊從0.43 nA降至0.09 nA，響應提升45%達到234 μA/W，並在4、5和6 μm光下分別有5.56、2.11和1.75 μA/W的響應。此外，在電子或光子注入後，熱載子與晶格碰撞，導致能量交換，擴展了可測量光譜範圍，超越矽能隙限制。為覆蓋整個中紅外光範圍，我們開發並應用了一種週期排列的倒金字塔結構，誘導的強烈局部表面電漿共振效應提高了響應，接近mA/W水平。即使在5.3 μm波長下，熱載子機制使元件響應達0.237 mA/W。本研究結果顯示，熱載子元件對中紅外光子檢測的響應速度有所提高，呈現出具有高於2.1 MHz的3 dB帶寬的光學頻率響應，極具發展潛力。最後，本研究中也透過熱載子元件實現了對多種分子氣體的檢測，預計這些成果將為未來氣體濃度感測器和光譜分析儀器提供技術基礎。 圖一、具超寬頻光譜響應的熱載子蕭特基光感測器的光入射以及其上的倒立式金字塔結構 圖二、LSPR在金屬材料中引起的熱載子動態變化，包含熱載子的能量再分配和空間擴散效應

— 資料提供：影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃巖教授、黃茂愷 —

千萬億位元（Petabit）光學儲存

光學資料儲存長期以來一直被提議作為硬碟（HDD）和半導體快閃記憶體的替代方案。然而，其瓶頸在於儲存容量受限於光學繞射的極限，這限制了寫入的光學資料位元的物理大小及其間距。

現在，Zhao及其同事在《自然》期刊上報導了一種新的光學基板和超高解析度光學資料編碼解碼方法，使得一般DVD大小的基板具備了約1.6千萬億位元（Petabit）的儲存容量（M. Zhao et al. Nature 626, 772–778; 2024）。

關鍵技術是一種新的光學資料儲存媒介，即摻雜染料的光阻（photoresist），該光阻顯示出來自發色團的聚集誘導發光（aggregation-induced emission, AIE）。資料寫入是透過聚焦兩束雷射到記錄區域來實現的（見圖一a左側）。第一束是515奈米的飛秒雷射，觸發局部光聚合，而第二束是639奈米的甜甜圈形連續波CW光束，在這之後就結束整個過程，將記錄限制在sub-diffraction的光點。類似借鑑於STED顯微鏡，作者展示了最小約54奈米的寫入光點和70奈米的橫向軌道間距（見圖一a右側）。其中光學讀取依賴記錄光點的AIE，這些光點可以用共軛焦或STED顯微鏡來成像。訊息的寫入還可以多達100層、且垂直間距為1微米的三維編碼來記錄（見圖二）。

這是一項令人印象深刻的成就，正如來自上海科技大學的該研究通訊作者Gu Min教授在《自然光子學》上所說：「在三維幾何中消除繞射極限障礙具有科學意義，這為其他三維設備在感測、生物醫學成像和有機電子學中的奈米級雷射寫入鋪平了道路。」在資料儲存方面，極其密集的三維寫入使一般DVD 大小的儲存容量達到1.6千萬億位元（Petabit），相當於目前最先進HDD容量的24倍。這一發展使得建立放置在房間內的千千萬億位元級（exabit-level）資料中心成為可能，而不需要體育場空間大小的HDD。

儘管在訊息密度方面的展示確實令人矚目，但在寫入速度方面仍有改進的空間，目前寫入速度受限於所需的100毫秒曝光時間和雷射功率，現在需要峰值強度為2.14GW/cm²的脈衝雷射。Gu教授建議：「要改善這些條件，可以在高效材料中使用高度平行的寫入和讀取。上轉換（upconversion）奈米顆粒是其中一個可能的候選材料。」