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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 可編程多功能激光器
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 基于不同應(yīng)用場合對激光器參數(shù)的不同需求以及現(xiàn)有激光器參數(shù)固定的現(xiàn)狀，我們設(shè)計(jì)和制作了可編程多功能激光器。可編程多功能激光器采用全光纖器件搭建，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。
- 詳細(xì)介紹：
- 自1960年美國休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼發(fā)明第一臺紅寶石激光器以來，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，飛速推動經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展。 激光技術(shù)的不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)す馄鞯臅r域輸出特性有著不同的要求。如激光測溫雷達(dá)、激光醫(yī)療行業(yè)一般需要脈寬為微秒量級的脈沖激光，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)用場合還對輸出激光的重復(fù)頻率、激光光譜寬度（簡稱譜寬）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，利用一臺激光器滿足各個應(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，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，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)制信號時，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，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)制信號時，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)境噪聲對激光器穩(wěn)定性的影響，我們設(shè)計(jì)閉環(huán)控制回路，采集輸出激光的部分信號作為控制系統(tǒng)的信息源，與腔外相位調(diào)制部分的調(diào)制信號進(jìn)行比較，通過單片機(jī)對外界噪聲進(jìn)行測算并加以補(bǔ)償，消除環(huán)境噪聲對系統(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，對于某些高功率應(yīng)用場合，采用光纖級聯(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。由于級聯(lián)放大引入的極高激光功率密度會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“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，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。 3、在高功率激光應(yīng)用場合，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。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、微秒級的可控光源。 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激光器能夠完成多臺激光器的功能，從而滿足以上不同場合的需求。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)用價值。 本作品已獲得的成果和獎勵如下： 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: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年中國光學(xué)大會和SCI源刊《Applied Physics B》 3.作品獲得學(xué)院2011年度課外科技創(chuàng)新活動特等獎 4.作品獲得2011年學(xué)校舉行的“挑戰(zhàn)杯”選拔賽一等獎（未設(shè)特等獎） 5.作品獲得2011年省級大學(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。
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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)
- 一、設(shè)計(jì)目的及思路 為解決目前現(xiàn)有的各種激光器物理參數(shù)固定，通用性不強(qiáng)的問題，本項(xiàng)目提出可編程多功能激光器這一新穎激光器概念。基于調(diào)相調(diào)頻激光器，搭建一臺駐波腔結(jié)構(gòu)的光纖激光器作為腔內(nèi)相位調(diào)制模塊，同時運(yùn)用光束干涉原理，搭建腔外相位調(diào)制模塊，通過對相位調(diào)制器PM1和PM2的調(diào)制，可分別實(shí)現(xiàn)激光連續(xù)波、鎖模脈沖和任意波形的激光輸出?？删幊潭喙δ芗す馄魍ㄟ^光纖級聯(lián)放大的方式實(shí)現(xiàn)高功率輸出，并設(shè)計(jì)閉環(huán)控制回路來解決由環(huán)境噪聲和極高功率密度造成的波形失真問題。 二、創(chuàng)新點(diǎn) 1.根據(jù)調(diào)相調(diào)頻激光器的基本原理，采用腔內(nèi)腔外復(fù)合調(diào)制的方式，實(shí)現(xiàn)激光器波形、重頻、脈寬、占空比等較大范圍內(nèi)可控的任意波形激光輸出，并且輸出激光的譜寬可控，實(shí)現(xiàn)了激光器“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。 3.在高功率激光應(yīng)用場合，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。 三、技術(shù)關(guān)鍵 1.任意波形的產(chǎn)生； 2.環(huán)境噪聲對激光性能的影響。 四、主要技術(shù)指標(biāo) 時域波形：常見波形（如三角波、方波、正弦波）和用戶設(shè)置任意波形； 重復(fù)頻率：10Hz-100MHz； 脈寬：10ms-100ps； 激光線寬：1MHz-500MHz
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前脈沖激光產(chǎn)生方案有：調(diào)Q、鎖模、倒腔、泵浦電流調(diào)制等。盡管現(xiàn)有方案都能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖激光輸出，但對時域特性的可控性差，大都只能滿足特定應(yīng)用領(lǐng)域的需求。可編程多功能激光器作為一種新型激光器，其輸出光束特性可以實(shí)現(xiàn)在線編程控制。其時域方面可實(shí)現(xiàn)連續(xù)波、鎖模脈沖自由切換運(yùn)行，波形、脈寬、重頻等參數(shù)可調(diào)；頻域方面可實(shí)現(xiàn)線寬任意可控。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)輕巧等優(yōu)勢，使其具備結(jié)構(gòu)緊湊、便于批量研發(fā)生產(chǎn)的優(yōu)勢。通過系統(tǒng)集成、封裝，可編程多功能激光器可向商業(yè)化方向推進(jìn)。最終使其具備“一機(jī)多用”的功能，極大地提高激光器的性能，節(jié)約成本和空間，為工程應(yīng)用和科學(xué)研究提供便利。 作品研究過程中形成的技術(shù)文檔《時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年中國光學(xué)大會和SCI源刊《Applied Physics B》。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 作品獲得學(xué)院2011年課外科技創(chuàng)新活動特等獎 作品獲得2011年學(xué)校舉行的“挑戰(zhàn)杯”選拔賽一等獎（未設(shè)特等獎） 作品獲得2011年省級大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目資助
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 項(xiàng)目組已與光庫通訊（珠海）有限公司和上海瀚宇光纖通信技術(shù)有限公司達(dá)成合作意向，有實(shí)際性的進(jìn)展。
作品可展示的形式
- ■實(shí)物、產(chǎn)品 □模型圖紙 □磁盤 ■現(xiàn)場演示 ■圖片 ■錄像 □樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 本項(xiàng)目將制作一臺輸出光束特性可以在線編程控制的新型激光器。通過人機(jī)交互界面，輸入期望的激光特性參數(shù)（如波形、重復(fù)頻率、脈寬、占空比等），再經(jīng)由本項(xiàng)目提出的腔內(nèi)-腔外復(fù)合調(diào)制的方式，實(shí)現(xiàn)激光的在線編程可控輸出。本項(xiàng)目研制的可編程多功能激光器具備“一機(jī)多用”的功能，極大地提高了激光器的通用性，使其便于批量研發(fā)生產(chǎn)，降低激光器的研發(fā)和使用成本；不僅如此，可編程多功能激光器基于光纖激光器件實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積輕便，便于實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用。 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。 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激光器能夠完成多臺激光器的功能，從而滿足以上不同場合的需求。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)用價值。
同類課題研究水平概述
- 在激光技術(shù)領(lǐng)域，產(chǎn)生脈沖激光的方案主要有：調(diào)Q、鎖模、倒腔、泵浦電流調(diào)制等。盡管現(xiàn)有方案都能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖激光的激光輸出，但是對時域特性(波形，重頻、脈寬、占空比)的可控性較差，大都只能實(shí)現(xiàn)某一特定參數(shù)的控制和調(diào)節(jié)。 可編程多功能激光器基于能夠?qū)崿F(xiàn)信號高速通信的光纖激光器實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)了本世紀(jì)六十年代國外提出而未能實(shí)現(xiàn)的調(diào)相調(diào)頻激光器，并將其作為腔內(nèi)調(diào)制模塊，與腔外調(diào)制模塊相結(jié)合，對輸出光束特性進(jìn)行在線編程控制，由此提出了激光器“可編程”的概念。 與本項(xiàng)目研制的激光器性能最為接近的當(dāng)屬泵浦電流直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器采用簡單的注入電流的方式來泵浦，其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可與之單片集成，獲得高速調(diào)制的激光輸出。本項(xiàng)目研制的可編程多功能激光器輸出光束特性與之相比存在以下優(yōu)勢：第一、直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器的輸出特性直接決定于電學(xué)的信號源，而本項(xiàng)目的脈沖輸出機(jī)理來源于光學(xué)調(diào)制，因此可以獲得脈寬更窄的超短脈沖輸出；第二，直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器輸出功率受限，無法應(yīng)用于激光加工、激光醫(yī)療等高功率應(yīng)用場合，本項(xiàng)目研制的可編程多功能激光器與光纖放大器有良好的兼容性，通過級聯(lián)放大的方式即可獲得高功率輸出，滿足特定場合的需求；第三，直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器激光譜寬不可控制，無法用于非線性頻率轉(zhuǎn)換等對譜寬有特定需求的領(lǐng)域。因此，與直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器相比，本項(xiàng)目研制的可編程多功能激光器在脈寬、譜寬、功率、光束質(zhì)量等方面具有明顯優(yōu)勢。 本項(xiàng)目系大學(xué)生課外科技活動成果，于2010年10月20日正式立項(xiàng)啟動，參加學(xué)院組織的課外科技活動作品初選。2011年1月通過學(xué)院組織的專家初審并獲資助。根據(jù)目前公開發(fā)表的科技文獻(xiàn)查詢結(jié)果，可編程多功能激光器的概念及功能為本項(xiàng)目首次提出。2010年12月1日，著名的激光雜志《Laser Focus World》刊登了加拿大Genia Photonic公司提出的可編程光纖激光器的論文，這是國際上對可編程激光器概念和設(shè)計(jì)思路的首次報(bào)道。該方案主要通過腔內(nèi)調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)激光輸出特性的可控操作。本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)思想上綜合考慮了腔內(nèi)調(diào)制和腔外調(diào)制相結(jié)合的方案，輸出波形可以根據(jù)實(shí)際需要在腔外進(jìn)行裁剪，且激光譜寬可控，因此比Genia Photonic公司方案的可控性更強(qiáng)。國內(nèi)目前尚無相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。
