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基于不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)激光器參數(shù)的不同需求以及現(xiàn)有激光器參數(shù)固定的現(xiàn)狀，我們?cè)O(shè)計(jì)和制作了可編程多功能激光器?？删幊潭喙δ芗す馄鞑捎萌饫w器件搭建，利用FPGA調(diào)制，通過人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)輸出光束特性參數(shù)的在線編程控制。我們已制作出一臺(tái)完整的可編程多功能激光器，參數(shù)范圍是重復(fù)頻率~10Hz-~100MHz，脈寬~10ms-~100ps，激光線寬1MHz-500MHz，其可廣泛應(yīng)用于工程和科研等領(lǐng)域。

自1960年美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器以來，激光科學(xué)技術(shù)在50多年內(nèi)以其強(qiáng)大的生命力譜寫了一部典型的交叉學(xué)科發(fā)明創(chuàng)造史。激光的應(yīng)用已經(jīng)遍及科技、經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)發(fā)展的許多領(lǐng)域，如信息光電子技術(shù)、激光醫(yī)療、激光加工、激光雷達(dá)等，飛速推動(dòng)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展。
激光技術(shù)的不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)す馄鞯臅r(shí)域輸出特性有著不同的要求。如激光測(cè)溫雷達(dá)、激光醫(yī)療行業(yè)一般需要脈寬為微秒量級(jí)的脈沖激光，激光微加工（如激光打孔、太陽能電池生產(chǎn)等）領(lǐng)域一般需要脈寬為納秒量級(jí)的脈沖激光，在超高速光通信、超精密計(jì)量等領(lǐng)域則需要脈寬為皮秒、飛秒甚至更短的超短脈沖激光。不僅如此，不同的應(yīng)用場(chǎng)合還對(duì)輸出激光的重復(fù)頻率、激光光譜寬度（簡(jiǎn)稱譜寬）有特定的要求。目前廣泛應(yīng)用的各種激光器大都根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要進(jìn)行“量身定制”，脈寬、重復(fù)頻率、線寬、波形等物理參數(shù)特定或者調(diào)節(jié)范圍有限，通用性不強(qiáng)，使得在科研、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用激光技術(shù)需要較高的購置和使用成本。不僅如此，激光譜寬的控制在激光技術(shù)領(lǐng)域至今還是難以攻克的“瓶頸”。因此，如能研制出一臺(tái)輸出激光特性任意可控的激光器，那么將極大地提高激光器的通用性，便于批量研發(fā)制作，極大地降低研發(fā)和生產(chǎn)成本，提高使用效益。
基于以上研究背景，我們提出可編程多功能激光器這一新穎的激光器概念，利用一臺(tái)激光器滿足各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的不同需求。充分借鑒現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的有關(guān)研究成果，并將其應(yīng)用到激光器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)激光器輸出光束特性的在線編程控制，使其具備“一機(jī)多用”的功能。該激光器在時(shí)域特性方面實(shí)現(xiàn)連續(xù)波輸出、鎖模脈沖自由切換運(yùn)行，波形、脈寬、重復(fù)頻率等參數(shù)可調(diào)；在頻域特性方面實(shí)現(xiàn)線寬任意可控。其波形、脈寬、重復(fù)頻率可控的特性可廣泛應(yīng)用于激光加工、激光表演、激光醫(yī)療等領(lǐng)域；其線寬可控的特性可應(yīng)用于非線性效應(yīng)研究等科研領(lǐng)域。
激光器的種類有很多，如氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器等。我們選用光纖激光器作為可編程多功能激光器的實(shí)現(xiàn)載體，這是因?yàn)榕c其他類型的激光器相比，光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，并且在光纖通信普及過程中配套產(chǎn)生的幾種器件（如波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制器、強(qiáng)度調(diào)制器等）使得激光器和數(shù)字信號(hào)源的高速通信成為了可能?；谝陨峡紤]，本項(xiàng)目選擇光纖激光器作為實(shí)現(xiàn)載體。
可編程多功能激光器的設(shè)計(jì)思路是：在調(diào)相調(diào)頻激光器基本原理的基礎(chǔ)上，搭建一臺(tái)駐波腔結(jié)構(gòu)的光纖激光器，利用腔內(nèi)、腔外復(fù)合調(diào)制實(shí)現(xiàn)激光光束輸出特性的在線編程控制。首先，在光纖激光器的腔內(nèi)加入相位調(diào)制器PM-1，當(dāng)無相位調(diào)制時(shí)，輸出激光為連續(xù)狀態(tài)，當(dāng)在相位調(diào)制器PM-1上施加不同特性的調(diào)制信號(hào)時(shí)，可以分別實(shí)現(xiàn)鎖模和調(diào)Q激光輸出；其次，利用雙光束干涉進(jìn)行腔外調(diào)制：激光輸出后，進(jìn)入一個(gè)全保偏光纖器件構(gòu)成的M-Z干涉儀中，干涉儀的一臂上放置一個(gè)相位調(diào)制器PM-2，干涉光束通過光纖耦合器輸出，當(dāng)無相位調(diào)制時(shí)，激光器輸出的光直接通過腔外相位調(diào)制器PM-2輸出，波形不發(fā)生變化；當(dāng)在相位調(diào)制器PM-2上施加調(diào)制信號(hào)時(shí)，輸出激光波形發(fā)生相應(yīng)變化。在此基礎(chǔ)上，利用FPGA自行設(shè)計(jì)和制作信號(hào)發(fā)生器，通過單片機(jī)及其相應(yīng)的接口與激光器進(jìn)行通信，分別對(duì)激光器進(jìn)行腔內(nèi)和腔外調(diào)制，可以根據(jù)用戶實(shí)際需要，編寫對(duì)應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)激光光束特性的任意可控輸出。
為消除環(huán)境噪聲對(duì)激光器穩(wěn)定性的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)閉環(huán)控制回路，采集輸出激光的部分信號(hào)作為控制系統(tǒng)的信息源，與腔外相位調(diào)制部分的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較，通過單片機(jī)對(duì)外界噪聲進(jìn)行測(cè)算并加以補(bǔ)償，消除環(huán)境噪聲對(duì)系統(tǒng)的干擾。
另外，由于構(gòu)建激光器諧振腔的光纖布拉格光柵承受功率有限，對(duì)于某些高功率應(yīng)用場(chǎng)合，采用光纖級(jí)聯(lián)放大的方式實(shí)現(xiàn)可編程多功能激光器的高功率輸出。由于級(jí)聯(lián)放大引入的極高激光功率密度會(huì)造成輸出波形的畸變和失真，我們通過在腔外相位調(diào)制器施加預(yù)補(bǔ)償進(jìn)行校正。
通過以上設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)激光器輸出光束連續(xù)、鎖模脈沖自由切換運(yùn)行，時(shí)域波形、重復(fù)頻率、脈寬、占空比一定范圍內(nèi)任意可調(diào)，實(shí)現(xiàn)頻域方面線寬可控，并能實(shí)現(xiàn)激光器穩(wěn)定、高功率輸出。因而使得這樣一臺(tái)“可編程多功能激光器”可應(yīng)用到工業(yè)加工、生物醫(yī)療以及科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域，極大地提高了激光器的通用性，降低了激光器的研發(fā)和生產(chǎn)成本；且由于可編程多功能激光器基于光纖激光器實(shí)現(xiàn)，因而具備了光纖激光器結(jié)構(gòu)緊湊、便于集成的優(yōu)勢(shì)，使可編程多功能激光器便于批量研發(fā)生產(chǎn)，從而向商業(yè)化方向推進(jìn)，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值。

本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)在于：
1、根據(jù)調(diào)相調(diào)頻激光器的基本原理，綜合采用腔內(nèi)、腔外相位調(diào)制的方式，實(shí)現(xiàn)激光器輸出光束的波形、重復(fù)頻率、脈寬、占空比等在較大范圍內(nèi)任意可調(diào)，并且輸出激光的譜寬可控，使激光器具備“一機(jī)多用”的功能，極大地提高激光器的通用性，降低研發(fā)和生產(chǎn)成本。
2、選用光纖激光器作為實(shí)現(xiàn)載體，充分利用光纖器件成本低、結(jié)構(gòu)輕巧等特點(diǎn)，使得可編程多功能激光器具備結(jié)構(gòu)緊湊、便于批量研發(fā)生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。
3、在高功率激光應(yīng)用場(chǎng)合，根據(jù)輸出激光波形的失真情況，采用預(yù)補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)實(shí)現(xiàn)波形的自適應(yīng)校正，使得激光器具備自學(xué)習(xí)的功能。

本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的可編程多功能激光器主要技術(shù)指標(biāo)為：?
時(shí)域波形：常見波形（正弦、三角、矩形）和用戶設(shè)置任意波形 ?
重復(fù)頻率：~10Hz-~100MHz ?
脈寬：~10ms-~100ps ?
占空比：0-1 ?
激光線寬：1MHz-500MHz ?
激光器尺寸：0.3m×0.3m×0.2m

本項(xiàng)目研制的可編程多功能激光器可以廣泛應(yīng)用于激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)和導(dǎo)航、指紋觀察、毒品分析等軍事/公共安全領(lǐng)域，臨床醫(yī)療、材料處理、工業(yè)加工等民用領(lǐng)域以及非線性頻率變換等科研領(lǐng)域。具體說來，可以推廣應(yīng)用的典型場(chǎng)合有：
1、激光加工：激光在材料加工領(lǐng)域具有極強(qiáng)的生命力。與傳統(tǒng)的非激光加工相比，激光加工在加工靈活性和加工效果等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目研制的可編程多功能激光器在重復(fù)頻率、脈寬等方面能夠滿足不同的部件加工對(duì)激光器輸出光束的性能要求。
2、激光醫(yī)療：隨著激光技術(shù)研究和激光醫(yī)療診斷水平的不斷提高，應(yīng)用激光可治療300多種疾病。以激光碎石為例，碎石過程所需的時(shí)間和效果與激光器的重復(fù)頻率、脈寬有直接聯(lián)系。本項(xiàng)目研制的可編程多功能激光器可為上述過程提供靈活可控的光源。
3、科學(xué)研究：在科研機(jī)構(gòu)，不同的科研課題通常對(duì)激光器的性能有著截然不同的要求。通過非線性頻率轉(zhuǎn)換獲得的激光在軍事、生物等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，然而激光的線寬、脈寬、重復(fù)頻率等參數(shù)對(duì)非線性頻率轉(zhuǎn)換的效果有直接的影響。本項(xiàng)目研制的可編程多功能激光器可以為非線性頻率轉(zhuǎn)換提供線寬可調(diào)、脈沖寬度在皮秒級(jí)、微秒級(jí)的可控光源。
可編程多功能激光器以其輸出光束特性任意可控的卓越性能使一臺(tái)激光器能夠完成多臺(tái)激光器的功能，從而滿足以上不同場(chǎng)合的需求。極大地降低了研發(fā)和生產(chǎn)成本，便于批量生產(chǎn)，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值。

本作品已獲得的成果和獎(jiǎng)勵(lì)如下：
1.本項(xiàng)目已提出專利申報(bào)。專利名稱：一種具有自學(xué)習(xí)功能的光纖激光器，申報(bào)號(hào):201110011202.2,申報(bào)日期:2011年5月17日
2.作品研究過程中形成的技術(shù)文檔《時(shí)域特性可控的脈沖光纖激光器》和《High-average power, low-repetition frequency ns pulsed fiber laser》已經(jīng)分別投往2011年中國(guó)光學(xué)大會(huì)和SCI源刊《Applied Physics B》
3.作品獲得學(xué)院2011年度課外科技創(chuàng)新活動(dòng)特等獎(jiǎng)
4.作品獲得2011年學(xué)校舉行的“挑戰(zhàn)杯”選拔賽一等獎(jiǎng)（未設(shè)特等獎(jiǎng)）
5.作品獲得2011年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目資助
6.項(xiàng)目組已經(jīng)與國(guó)內(nèi)相關(guān)專業(yè)研發(fā)單位達(dá)成合作意向：關(guān)鍵技術(shù)通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓的方式轉(zhuǎn)讓給光庫通訊（珠海）有限公式進(jìn)行整機(jī)封裝、調(diào)試；通過標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試后，交由上海瀚宇光纖通信技術(shù)有限公司進(jìn)行量化生產(chǎn)和推廣。

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 三等獎(jiǎng)
作品獲得學(xué)院2011年課外科技創(chuàng)新活動(dòng)特等獎(jiǎng)

作品獲得2011年學(xué)校舉行的“挑戰(zhàn)杯”選拔賽一等獎(jiǎng)（未設(shè)特等獎(jiǎng)）

作品獲得2011年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目資助