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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 高功率高重復(fù)頻率超短脈沖激光系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 基于高能量超短脈沖激光在精密測(cè)量、超快科學(xué)和微加工方面的重要作用，本項(xiàng)目選取國(guó)際激光領(lǐng)域的前沿課題，定位于研制高功率高重復(fù)頻率的激光光源。項(xiàng)目研制成功大功率近紅外超短脈沖激光振蕩器和功率放大器，并在單元技術(shù)和總體集成方面取得創(chuàng)新性的進(jìn)展和成果。
- 詳細(xì)介紹：
- 本項(xiàng)目瞄準(zhǔn)國(guó)際激光科學(xué)發(fā)展的前沿研究方向，定位于研制高功率高重復(fù)頻率的激光光源。項(xiàng)目從基礎(chǔ)科學(xué)研究出發(fā)，實(shí)驗(yàn)多種不同基質(zhì)的摻鐿激光材料，結(jié)合固體激光、光纖激光、超快激光、光學(xué)成像等技術(shù)，深入研究了材料科學(xué)和激光科學(xué)的多個(gè)熱點(diǎn)問題。項(xiàng)目分五個(gè)步驟進(jìn)行了樣機(jī)的試制：激光振蕩器、多波長(zhǎng)精密同步裝置、脈沖展寬器、功率放大器和脈沖壓縮器。其中，激光振蕩器采用可飽和吸收技術(shù)或者非線性克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)飛秒激光脈沖輸出；多波長(zhǎng)同步裝置利用光纖的交叉相位調(diào)制作用和吸收調(diào)制作用，實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)激光的同步輸出；脈沖展寬器利用光柵對(duì)或者光纖的色散作用將激光振蕩器輸出的飛秒脈沖按不同波長(zhǎng)在時(shí)間上拉開；功率放大器將展寬后脈沖的平均功率提高，獲得充分能量；脈沖壓縮器采用高衍射效率的透射式光柵把放大脈沖的不同光譜成分會(huì)聚到一起，恢復(fù)到飛秒寬度。從而，該系統(tǒng)具有高功率高重復(fù)頻率的飛秒激光脈沖輸出的能力。本項(xiàng)目具體從連續(xù)激光振蕩器、可調(diào)諧激光振蕩器入手，逐步深入到調(diào)Q脈沖和皮秒、飛秒鎖模脈沖激光振蕩器，搭建了級(jí)聯(lián)式激光功率放大器，設(shè)計(jì)了包括高功率泵浦聚焦耦合裝置、高功率激光輸出耦合裝置、光纖端面和包層冷卻裝置，成功解決了高功率泵浦激光與待放大信號(hào)光的耦合和增益介質(zhì)的端面散熱等技術(shù)難題，控制了放大器的寄生振蕩和脈沖畸變效應(yīng)，最終將超短激光脈沖的平均功率從毫瓦量級(jí)推進(jìn)到百瓦以上。創(chuàng)新點(diǎn)如下：1) 國(guó)際上首次報(bào)道了新型摻鐿多晶陶瓷Yb:YLaO高斜率效率的激光輸出和鎖模脈沖輸出。 2) 成功地實(shí)現(xiàn)了具有很好的機(jī)械性能的Yb:GYSO混晶在1083nm波段大功率的連續(xù)激光輸出，這可以應(yīng)用在度量衡學(xué)方面作為He同位素內(nèi)部的超精細(xì)躍遷的光泵浦源。3) 研制成功小體積光纖結(jié)構(gòu)的超短脈沖激光振蕩器，輸出脈沖寬度為34fs，輸出特性達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。4) 研制成功高功率高重復(fù)頻率激光系統(tǒng)，輸出功率260W、重復(fù)頻率80MHz，該指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。5) 國(guó)際上首次將高功率高重復(fù)頻率激光應(yīng)用于激光同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了260W、3ps、1030nm激光與100mW、7fs、800nm激光的精密同步，同步精度小于25飛秒，該項(xiàng)成果將會(huì)推進(jìn)光頻標(biāo)從可見波段向紫外波段發(fā)展，最終有望用于新一代光學(xué)時(shí)鐘的產(chǎn)生。項(xiàng)目在研期間，發(fā)表相關(guān)研究學(xué)術(shù)論文十一篇，其中SCI影響因子大于3.0的五篇，申請(qǐng)發(fā)明專利五項(xiàng)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 本作品定位于國(guó)際前沿激光技術(shù)領(lǐng)域，目的在于研制高功率高重復(fù)頻率超短脈沖激光系統(tǒng)。 研究思路為：從激光振蕩器入手，逐步深入到調(diào)Q和皮秒、飛秒鎖模脈沖，搭建了級(jí)聯(lián)式激光功率放大器，最終將高重復(fù)頻率超短激光脈沖的平均功率從毫瓦推進(jìn)到百瓦以上。 作品創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1) 國(guó)際上首次報(bào)道了新型摻鐿多晶陶瓷Yb:YLaO高斜率效率的激光輸出和鎖模脈沖輸出。 2) 成功地實(shí)現(xiàn)了具有很好的機(jī)械性能的Yb:GYSO混晶在1083nm波段大功率的連續(xù)激光輸出，這可以應(yīng)用在度量衡學(xué)方面作為氦同位素超精細(xì)躍遷的光泵浦源。 3) 研制成功小體積光纖結(jié)構(gòu)的超短脈沖激光振蕩器，輸出脈沖寬度為34fs，輸出特性達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。 4) 研制成功高功率高重復(fù)頻率激光系統(tǒng)，輸出功率260W、重復(fù)頻率80MHz，該輸出特性達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。 5) 國(guó)際上首次將高功率高重復(fù)頻率激光應(yīng)用于激光同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了260W、3ps、1030nm激光與100mW、7fs、800nm激光的精密同步，同步精度小于25飛秒，該項(xiàng)成果將會(huì)推進(jìn)光頻標(biāo)從可見波段向紫外波段發(fā)展，最終有望用于新一代光學(xué)時(shí)鐘的產(chǎn)生。 作品主要技術(shù)指標(biāo)為激光波長(zhǎng)1.03到1.06微米，脈沖重復(fù)頻率80MHz，(平均功率/脈沖寬度)260W/3ps、50W/100fs。不同激光特性對(duì)應(yīng)于在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)基礎(chǔ)研究的不同應(yīng)用。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 該激光系統(tǒng)為重復(fù)頻率幾十兆赫茲、脈沖寬度為幾十飛秒到幾個(gè)皮秒、平均功率超過百瓦的激光光源。此項(xiàng)研究受到國(guó)際著名研究單位馬普實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)Jena大學(xué)、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局和法國(guó)激光強(qiáng)度應(yīng)用中心的關(guān)注。原因主要在于兩點(diǎn)： 1) 高重復(fù)頻率可以為鎖模激光的每個(gè)模式提供大的能量，提高拍頻信號(hào)的信噪比； 2) 高平均功率有利于激光向更短的的波長(zhǎng)發(fā)展，將會(huì)把可見光梳的研究推向紫外光學(xué)波段。 此外，小型化的該類激光系統(tǒng)具有極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，它不僅可以應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)的研究，還可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，如打標(biāo)、劃線等微加工作業(yè)。 該激光系統(tǒng)解決了高功率泵浦下熱效應(yīng)累積的難題，控制了高能量超短脈沖在放大過程中的波形畸變現(xiàn)象。該套激光系統(tǒng)充分發(fā)揮光纖耦合式半導(dǎo)體激光器泵浦的優(yōu)勢(shì)，選用多種不同激光振蕩器的輸出激光作為種子源，結(jié)合固體激光、光纖激光、激光材料制作及加工、光學(xué)成像等技術(shù)，最終將超短脈沖激光的輸出能量從毫瓦推進(jìn)到百瓦，平均功率提升達(dá)到五個(gè)數(shù)量級(jí)，并仍然具有發(fā)展空間。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 項(xiàng)目共發(fā)表學(xué)術(shù)論文十一篇： 1. 科學(xué)引文索引（SCI）影響因子大于3.0的五篇： 其中Appl. Phys. Lett. 1篇，Opt. Lett. 1篇，Opt. Express 3篇； 2. 科學(xué)引文索引（SCI）影響因子介于1.0和3.0之間的五篇： 其中IEEE J. Quantum Electron. 2篇，Laser Phy. Lett. 1篇，J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 1篇，Chin. Phy. Lett. 1篇； 3. 中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)（CSCD）一篇： 中國(guó)激光 1篇。
作品所處階段
- 作品處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，已完成系統(tǒng)樣機(jī)的試制，運(yùn)行穩(wěn)定，將會(huì)在系統(tǒng)小型化、集成化方面進(jìn)行努力。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 圖片和視頻
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 高功率高重復(fù)頻率光纖激光器和光纖放大器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有前兩代激光器無(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)越性。它體積小、重量輕、免維護(hù)，適應(yīng)和滿足目前正在蓬勃發(fā)展的微精加工的需求。這些應(yīng)用雖需要較小的單脈沖能量，但卻需要較高的重復(fù)頻率和平均功率。此外，超短脈沖激光依靠多光子吸收打斷材料中的化學(xué)鍵，是一種冷燒蝕過程，從本質(zhì)上避免了熱效應(yīng)帶來(lái)材料強(qiáng)度降低的問題。因此，該系統(tǒng)受到加工、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域越來(lái)越多的關(guān)注和重視。在短期內(nèi)，該類激光器將主要聚焦在高端用途上。隨著制造成本的降低和產(chǎn)量的提高，該類系統(tǒng)可能替代全球大部分高功率二氧化碳激光器和絕大部分傳統(tǒng)固體激光器。
同類課題研究水平概述
- 高功率超短脈沖激光系統(tǒng)按照重復(fù)頻率的不同主要分三大類： 第一類為極低重復(fù)頻率、極高能量激光系統(tǒng)，如位于上海光機(jī)所神光II號(hào)，每年激光打靶及激光調(diào)試運(yùn)行發(fā)射1000次，輸出性能為6kJ/1ns/1053nm。神光II號(hào)采用了國(guó)產(chǎn)高性能元器件，獨(dú)立自主地解決了一系列科學(xué)技術(shù)難題,實(shí)質(zhì)性地跨入了當(dāng)代國(guó)際最先進(jìn)的高功率固體激光驅(qū)動(dòng)器的行列。 第二類為中等重復(fù)頻率、高能量激光系統(tǒng)。輸出脈沖激光的重復(fù)頻率在10Hz-100kHz,平均功率最大不超過10W，單脈沖能量為0.1mJ-1J。此種類型系統(tǒng)為典型的商售激光系統(tǒng)，采用摻鈦藍(lán)寶石激光增益介質(zhì)，需要復(fù)雜的冷卻裝置，甚至液氮冷卻系統(tǒng)。 第三類為高重復(fù)頻率、高能量激光系統(tǒng)。其典型激光特性參數(shù)為重復(fù)頻率幾十兆赫茲，平均功率超過百瓦量級(jí)，相應(yīng)單脈沖能量為幾十微焦。小型化的該類激光系統(tǒng)具有極高的應(yīng)用價(jià)值。 高功率高重復(fù)頻率超短脈沖的激光的研究始于2000年，德國(guó)Jena大學(xué)和馬普實(shí)驗(yàn)室合作獲得了平均功率22W皮秒脈沖激光。2003年，這一研究小組繼續(xù)報(bào)道了該啁啾脈沖光纖放大系統(tǒng)，其輸出特性為平均功率75W、脈沖寬度400fs。同年8月，美國(guó)Cornell大學(xué)的研究小組報(bào)道了一種全光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)，得到平均功率300mW、120fs的脈沖，其重復(fù)頻率為50MHz。2005年，Jena大學(xué)研究小組以鎖模Yb:KGW激光器為種子源，采用啁啾脈沖放大的方式，在衍射光柵展寬后，用兩級(jí)光子晶體光纖放大，最后用光柵對(duì)壓縮得到的13lW的平均功率，其脈沖寬度為220fs。同年，美國(guó)的IMRA公司報(bào)道了650fs、100μJ的全光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)。2008年，法國(guó)Celia實(shí)驗(yàn)室成功的將飛秒脈沖直接放大，得到了8W、49fs的脈沖激光，其重復(fù)頻率為10KHz。 我國(guó)在這個(gè)方向的研究始于2004年，研究人員用調(diào)Q激光器作為種子源，用雙包層摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，在20kHZ時(shí)放大得到了0.3mJ的脈沖能量。2005年，我國(guó)報(bào)道了一種脈沖泵浦的摻鐿光纖放大系統(tǒng)，以調(diào)Q的Nd:YAG微片激光器為種子源，在200Hz時(shí)，最大得到138μJ的單脈沖能量，其脈沖寬度為0.83ns。2008年，我國(guó)研制成功39fs、16W的全光子晶體光纖飛秒激光系統(tǒng)。
