我國光纖激光相干合成獲重大成果

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

摘要：近日，來自中國科學院、教育部高校和國內有關研究機構從事光電子、激光、信息、計算機應用等技術領域的多位院士、專家在長沙考察、鑒定了國防科技大學光電科學與工程學院研制的“千瓦級光纖激光相干合成試驗系統(tǒng)”。 　　近日，來自中國科學院、教育部高校和國內有關研究機構從事光電子、激光、信息、計算機應用等技術領域的多位院士、專家在長沙考察、鑒定了國防科技大學光電科學與工程學院研制的“千瓦級光纖激光相干合成試驗系統(tǒng)”。
　　
　　專家組鑒定意見指出：“該項目在國際上首次實現(xiàn)光纖激光千瓦級相干合成輸出，系統(tǒng)輸出功率達到1.5千瓦。該系統(tǒng)復雜、技術難度大，在光纖激光相干合成理論和技術上有重大創(chuàng)新，是高功率激光相干合成領域的重大突破。系統(tǒng)綜合水平達到國際先進，相干合成輸出功率、寬譜和多波長激光相干合成等技術處于國際領先?！?br>　　
　　這標志著我國科學家在光纖激光相干合成理論和技術領域獲得了重大的自主創(chuàng)新成果。
　　
　　據了解，在自然界，光的相干性（即“一致性”）是一種客觀存在。物理學研究發(fā)現(xiàn)，只有傳輸振動方向一致、頻率相同、相位差恒定的光束才能稱之為“步調一致”的相干光，其光源可稱為相干光源。具有相干性的光波疊加時會出現(xiàn)“干涉現(xiàn)象”，這種干涉可能是建設性的，也可能是破壞性的。
　　
　　在普通光源中，原子發(fā)光過程都是自發(fā)輻射過程，各個原子發(fā)出的光子在頻率、振動方向和初位相上都不相同，所以，光的亮度、方向性、單色性等方面特征各不相同，因此普通光源不具備空間和時間上的相干性。
　　
　　由于激光是受激輻射產生的，因而其光波具有相同的頻率、方向、振態(tài)和嚴格的位相關系。激光需要有激光器才能產生。激光器產生的激光具有亮度高、方向性好、相干性好3個重要特性。不同波段（1～14微米）的激光，有不同的用途，如波長2.0微米的激光在氣象監(jiān)測、激光測距、激光雷達等方面具有廣泛應用，2.8微米波長激光則可應用在生物、醫(yī)療等領域，而3.0～5.0微米波段激光具有很強的大氣穿透能力，具有應用于激光制導、激光遙感等領域的巨大潛能。由于高亮度激光在國民經濟和國防等多個領域有著廣泛的應用需求，激光技術被列為《國家中長期科學技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》前沿技術之一。
　　
　　記者在采訪中得知，光纖激光器是指用采用摻有稀土元素的玻璃光纖作為激光介質的激光器。光纖激光器具有轉換效率高、光束質量好、結構緊湊等優(yōu)點，能夠獲得高光束質量激光輸出，已成為繼化學激光器后的新一代高能激光器的重要方向。
　　
　　但由于激光與材料之間客觀存在的“非線性”效應、熱效應、激光元件損傷等因素，單根光纖激光器輸出功率有限。
　　
　　因此，為實現(xiàn)高功率和高光束質量，構建模塊化的光纖激光“組合”，并對其進行相干合成是最理想的解決方案，已成為當前全球激光技術領域的研究熱點。國際上有40多家機構在探索如何用中小功率的激光器來合成大功率激光器。2009年，美國空軍實驗室（AFRL）實現(xiàn)了5路百瓦級光纖激光放大器相干合成，輸出功率為725瓦。
　　
　　面對激光技術前沿領域的這一世界性難題，國防科技大學新體系結構固態(tài)激光實驗室學術帶頭人、教育部創(chuàng)新團隊帶頭人、國家“973”計劃項目首席專家劉澤金帶領高能激光技術科研團隊，發(fā)明了基于隨機并行梯度下降和單頻抖動的光纖激光相干合成相位控制方法（簡稱“優(yōu)化算法”），實驗中發(fā)現(xiàn)了寬譜（約30GHz的譜線寬度）激光也能實現(xiàn)部分相干合成的物理現(xiàn)象，提出了用非單頻激光進行相干合成的技術路線，闡明了寬譜、多波長激光相干合成的物理機制。
　　
　　他們自行研制出9路百瓦級光纖激光放大器，當總輸入功率為1900瓦時，相干合成功率可達1560瓦，這一輸出功率為目前已知的該領域國際最高水平。
　　
　　用優(yōu)化算法能夠實現(xiàn)寬譜和多波長激光部分相干合成的這一科學新發(fā)現(xiàn)，打破了此前只有窄譜激光才能實現(xiàn)相干的認識。
　　
　　他們進一步深入研究了該發(fā)現(xiàn)的物理機制，為新一代大功率光纖激光系統(tǒng)的研制奠定了理論基礎。其研究成果于2009年在美國出版的國際光學領域著名學術期刊OpticsLetters上以封面圖示文章發(fā)表，在國際激光學界中引起廣泛關注。
　　
　　他們和美國學者各自獨立提出將基于隨機并行梯度下降優(yōu)化算法用于光纖激光相干合成的技術方案，并單獨提出了用于光纖激光相干合成的單頻抖動相位控制方法，這兩種方法都成功實現(xiàn)了“不同波長激光束的同步自動對齊”，解決了相干合成時相位控制的技術難題，獲得了高質量的穩(wěn)定激光輸出，使目前光纖激光相干合成主動相位控制方法達到4種，得到國際激光領域同行的贊許。
　　
　　與此同時，劉澤金等還提出了相干合成光束質量評價方法，解決了過去常用的光束質量評價標準不能對相干合成光束進行很好描述的問題，被學術界認可和采用。美國定向能協(xié)會出版的《高功率光纖激光器導論》一書采用了該方法，稱其是“孔徑填充相干陣列光束質量的最佳測試方法”，總裝備部光電子技術專業(yè)組推薦其為我國相干合成激光光束質量評價準則。