单片有源像素传感器 (MAPS) [ 1 ] 将传感器包含在与电子元件相同的 CMOS 基板中,它具有工业标准 CMOS 处理的所有优点,避免了粒子物理实验中常用的凸块键合混合像素传感器的生产复杂性和高成本,因此特别具有吸引力。今天,MAPS 代表着一项成熟的技术,其性能可与混合硅像素传感器相媲美。事实上,MAPS 已经在大型 LHC 实验中使用[ 2 ]。CERN 高亮度 LHC 项目期间预计将出现大量事件堆积,这需要几十皮秒的计时能力[ 3 ]。这种计时水平将在 ATLAS [ 4 ] 和 CMS [ 5 ] 升级探测器中通过大约 1 毫米粗空间粒度的计时层实现。在开发这项成熟技术的同时,粒子物理学界正在尝试为未来项目开发具有高空间分辨率和同等计时能力的硅传感器。在 [6] 中可以找到对当前这方面努力的最新回顾。该研究小组正在尝试开发具有皮秒时间能力的 MAPS。利用商用 SG13G2 IHP 130 nm 工艺 [7],我们制作了一系列单片原型,这些原型具有速度极快且噪声极低的 SiGe HBT 前端电子器件,使用没有内部增益层的标准 PN 结传感器可实现低至 36 ps 的时间分辨率 [8-12]。这条研究路线源于 MONOLITH H2020 ERC Advanced 项目 [13],该项目利用新型多 PN 结 PicoAD 传感器 [14],通过连续深增益层提供的信噪比增强实现皮秒级的时间分辨率。[15] 和 [16] 报告了使用 PicoAD 概念验证单片原型获得的结果。最近,MONOLITH 项目的第二个单片硅像素矩阵原型采用 SG13G2 IHP 工艺生产。ASIC 包含 [ 12 ] 前端电子器件的改进,旨在提高操作能力。在制造实现增益层的特殊 PicoAD 晶圆的同时,还使用厚度为 50 µm 的外延层晶圆(电阻率为 350 Ω cm)生产了带有标准 PN 结传感器的版本。在本文中,我们展示了使用不带内部增益层的第二个 MONOLITH 原型获得的测试光束结果。
近来,需要高平均功率激光束的应用数量急剧增加,涉及大型项目,如空间清洁 [1]、航天器推进 [2]、粒子加速 [3],以及工业过程 [4] 或防御系统 [5]。激光光束组合是达到极高功率水平的最常用方法之一,特别是相干光束组合 (CBC) 技术 [6]。它们旨在对放大器网络传输的平铺激光束阵列的发射进行相位锁定,以产生高亮度的合成光束。由于实际激光系统(尤其是光纤激光系统)中阵列中光束之间的相位关系会随时间演变,因此这些技术必须通过伺服环路实时校正合成平面波的相位偏差。近年来,CBC 技术得到了广泛发展,探索了调整合成离散波前中各个相位的不同方法。它们可以分为两大类。在第一类中,测量阵列中光束的相位关系,然后进行校正 [7]。在第二种方法中,实际波前和期望波前之间的差异通过迭代过程得到补偿 [8]。在后一种情况下,优化算法驱动反馈回路,分析所有光束之间干涉的阵列相位状态的更多全局数据 [9,10]。这些技术通常更易于实施,所需电子设备更少,但需要更复杂的数值处理,其中一些技术在处理大量光束时速度会降低。最后一个问题与反馈回路中达到预期相位图所需的迭代次数有关,该迭代次数会随着要控制的相位数的增加而迅速增加。最近,人们研究了神经网络 (NN) 和机器学习,以期找到一种可能更简单、更有效的方法来实现相干光束组合。已发表的文献 [11] 中涉及的一种方案依赖于卷积神经网络 (VGG) 的直接相位恢复,然后一步完成相位校正,例如在自适应光学 NN 的开创性工作 [12]。 NN 用于将光束阵列干涉图样的强度(在透镜焦点处形成的远场或焦点外的图像、分束器后面的功率等)直接映射到阵列中的相位分布中。恢复初始相位图后,可以直接应用相位调制将相位设置为所需值。[11] 中报告的模拟表明,当阵列从 7 条光束增加到 19 条光束时,基于 CNN 的相位控制的精度会下降。这一限制在波前传感领域也得到了强调,因此 NN 通常仅用作初始化优化程序的初步步骤 [13]。另一种可能的方案是强化
关于 MPS 基础物理科学研究是 MPS 支持工作的核心主题。MPS 科学的核心领域(天文科学、化学、材料研究、数学科学和物理学)继续推进和转化知识,并支持下一代科学家的发展。MPS 资助的科学涵盖范围广泛:从研究过的最小物体和最短时间尺度到宇宙大小和年龄的距离和时间尺度。MPS 继续培养和支持跨学科科学项目,这些项目的范围和复杂性各不相同,从个人研究人员奖励到大型多用户设施。个人研究人员和小团队获得大多数奖项,但中心、研究所和设施都是 MPS 资助研究不可或缺的一部分。这种学科融合和组织研究人员的各种方式使 MPS 能够投资于引人注目的基础科学,这些科学将支撑和推动未来技术的进步,并帮助支持未来几十年强劲的美国经济。通过其中心和研究所计划,MPS 将继续支持前沿科学和从事从基础科学到转化科学的研究的下一代科学家的发展。MPS 中心和研究所涵盖范围广泛,从解决基础数学挑战到开发新材料。研究工具和基础设施是 MPS 将继续资助的关键重点。天文科学、化学、材料研究和物理学领域的中型研究基础设施对于这些学科的发展仍然至关重要。大型研究基础设施也至关重要,并为与国际组织、其他联邦机构和私人基金会建立伙伴关系提供了机会,阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 (ALMA)、双子座天文台、大型强子对撞机 (LHC) 和国家高磁场实验室等设施就是明证。大型强子对撞机 (LHC) 的升级工程于 2020 年 4 月开始建设,旨在为 NSF 资助的 LHC 探测器做好粒子加速器高亮度运行的准备,而 Vera C. Rubin 天文台项目正在推进智利塞罗帕琼峰顶的物理基础设施以及最先进的数据管理系统和有史以来建造的最大数码相机。丹尼尔 K. 井上太阳望远镜 (DKIST) 位于夏威夷毛伊岛的哈莱阿卡拉山顶,预计于 2021 年底完工,有望成为世界上最强大的太阳天文台。DKIST 在 2020 财年实现了一个关键里程碑,首次看到太阳光芒,以有史以来最高的分辨率拍摄到太阳表面的壮观图像。自 1990 年以来,它探测到引力波