基本信息
- 项目名称：
- 高功率高重复频率超短脉冲激光系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 基于高能量超短脉冲激光在精密测量、超快科学和微加工方面的重要作用，本项目选取国际激光领域的前沿课题，定位于研制高功率高重复频率的激光光源。项目研制成功大功率近红外超短脉冲激光振荡器和功率放大器，并在单元技术和总体集成方面取得创新性的进展和成果。
- 详细介绍：
- 本项目瞄准国际激光科学发展的前沿研究方向，定位于研制高功率高重复频率的激光光源。项目从基础科学研究出发，实验多种不同基质的掺镱激光材料，结合固体激光、光纤激光、超快激光、光学成像等技术，深入研究了材料科学和激光科学的多个热点问题。项目分五个步骤进行了样机的试制：激光振荡器、多波长精密同步装置、脉冲展宽器、功率放大器和脉冲压缩器。其中，激光振荡器采用可饱和吸收技术或者非线性克尔效应实现飞秒激光脉冲输出；多波长同步装置利用光纤的交叉相位调制作用和吸收调制作用，实现不同波长激光的同步输出；脉冲展宽器利用光栅对或者光纤的色散作用将激光振荡器输出的飞秒脉冲按不同波长在时间上拉开；功率放大器将展宽后脉冲的平均功率提高，获得充分能量；脉冲压缩器采用高衍射效率的透射式光栅把放大脉冲的不同光谱成分会聚到一起，恢复到飞秒宽度。从而，该系统具有高功率高重复频率的飞秒激光脉冲输出的能力。本项目具体从连续激光振荡器、可调谐激光振荡器入手，逐步深入到调Q脉冲和皮秒、飞秒锁模脉冲激光振荡器，搭建了级联式激光功率放大器，设计了包括高功率泵浦聚焦耦合装置、高功率激光输出耦合装置、光纤端面和包层冷却装置，成功解决了高功率泵浦激光与待放大信号光的耦合和增益介质的端面散热等技术难题，控制了放大器的寄生振荡和脉冲畸变效应，最终将超短激光脉冲的平均功率从毫瓦量级推进到百瓦以上。创新点如下：1) 国际上首次报道了新型掺镱多晶陶瓷Yb:YLaO高斜率效率的激光输出和锁模脉冲输出。 2) 成功地实现了具有很好的机械性能的Yb:GYSO混晶在1083nm波段大功率的连续激光输出，这可以应用在度量衡学方面作为He同位素内部的超精细跃迁的光泵浦源。3) 研制成功小体积光纤结构的超短脉冲激光振荡器，输出脉冲宽度为34fs，输出特性达到了国际先进水平。4) 研制成功高功率高重复频率激光系统，输出功率260W、重复频率80MHz，该指标达到国内领先、国际先进水平。5) 国际上首次将高功率高重复频率激光应用于激光同步技术，实现了260W、3ps、1030nm激光与100mW、7fs、800nm激光的精密同步，同步精度小于25飞秒，该项成果将会推进光频标从可见波段向紫外波段发展，最终有望用于新一代光学时钟的产生。项目在研期间，发表相关研究学术论文十一篇，其中SCI影响因子大于3.0的五篇，申请发明专利五项。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品定位于国际前沿激光技术领域，目的在于研制高功率高重复频率超短脉冲激光系统。 研究思路为：从激光振荡器入手，逐步深入到调Q和皮秒、飞秒锁模脉冲，搭建了级联式激光功率放大器，最终将高重复频率超短激光脉冲的平均功率从毫瓦推进到百瓦以上。 作品创新点如下： 1) 国际上首次报道了新型掺镱多晶陶瓷Yb:YLaO高斜率效率的激光输出和锁模脉冲输出。 2) 成功地实现了具有很好的机械性能的Yb:GYSO混晶在1083nm波段大功率的连续激光输出，这可以应用在度量衡学方面作为氦同位素超精细跃迁的光泵浦源。 3) 研制成功小体积光纤结构的超短脉冲激光振荡器，输出脉冲宽度为34fs，输出特性达到了国际先进水平。 4) 研制成功高功率高重复频率激光系统，输出功率260W、重复频率80MHz，该输出特性达到国内领先、国际先进水平。 5) 国际上首次将高功率高重复频率激光应用于激光同步技术，实现了260W、3ps、1030nm激光与100mW、7fs、800nm激光的精密同步，同步精度小于25飞秒，该项成果将会推进光频标从可见波段向紫外波段发展，最终有望用于新一代光学时钟的产生。 作品主要技术指标为激光波长1.03到1.06微米，脉冲重复频率80MHz，(平均功率/脉冲宽度)260W/3ps、50W/100fs。不同激光特性对应于在工业生产和科学基础研究的不同应用。
科学性、先进性
- 该激光系统为重复频率几十兆赫兹、脉冲宽度为几十飞秒到几个皮秒、平均功率超过百瓦的激光光源。此项研究受到国际著名研究单位马普实验室、德国Jena大学、美国国家标准局和法国激光强度应用中心的关注。原因主要在于两点： 1) 高重复频率可以为锁模激光的每个模式提供大的能量，提高拍频信号的信噪比； 2) 高平均功率有利于激光向更短的的波长发展，将会把可见光梳的研究推向紫外光学波段。 此外，小型化的该类激光系统具有极强的应用价值，它不仅可以应用于基础科学的研究，还可应用于工业生产，如打标、划线等微加工作业。 该激光系统解决了高功率泵浦下热效应累积的难题，控制了高能量超短脉冲在放大过程中的波形畸变现象。该套激光系统充分发挥光纤耦合式半导体激光器泵浦的优势，选用多种不同激光振荡器的输出激光作为种子源，结合固体激光、光纤激光、激光材料制作及加工、光学成像等技术，最终将超短脉冲激光的输出能量从毫瓦推进到百瓦，平均功率提升达到五个数量级，并仍然具有发展空间。
获奖情况及鉴定结果
- 项目共发表学术论文十一篇： 1. 科学引文索引（SCI）影响因子大于3.0的五篇： 其中Appl. Phys. Lett. 1篇，Opt. Lett. 1篇，Opt. Express 3篇； 2. 科学引文索引（SCI）影响因子介于1.0和3.0之间的五篇： 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. 中国科学引文数据库（CSCD）一篇： 中国激光 1篇。
作品所处阶段
- 作品处于实验室研制阶段，已完成系统样机的试制，运行稳定，将会在系统小型化、集成化方面进行努力。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 图片和视频
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 高功率高重复频率光纤激光器和光纤放大器作为第三代激光技术的代表，具有前两代激光器无可比拟的技术优越性。它体积小、重量轻、免维护，适应和满足目前正在蓬勃发展的微精加工的需求。这些应用虽需要较小的单脉冲能量，但却需要较高的重复频率和平均功率。此外，超短脉冲激光依靠多光子吸收打断材料中的化学键，是一种冷烧蚀过程，从本质上避免了热效应带来材料强度降低的问题。因此，该系统受到加工、医疗、科研等领域越来越多的关注和重视。在短期内，该类激光器将主要聚焦在高端用途上。随着制造成本的降低和产量的提高，该类系统可能替代全球大部分高功率二氧化碳激光器和绝大部分传统固体激光器。
同类课题研究水平概述
- 高功率超短脉冲激光系统按照重复频率的不同主要分三大类： 第一类为极低重复频率、极高能量激光系统，如位于上海光机所神光II号，每年激光打靶及激光调试运行发射1000次，输出性能为6kJ/1ns/1053nm。神光II号采用了国产高性能元器件，独立自主地解决了一系列科学技术难题,实质性地跨入了当代国际最先进的高功率固体激光驱动器的行列。 第二类为中等重复频率、高能量激光系统。输出脉冲激光的重复频率在10Hz-100kHz,平均功率最大不超过10W，单脉冲能量为0.1mJ-1J。此种类型系统为典型的商售激光系统，采用掺钛蓝宝石激光增益介质，需要复杂的冷却装置，甚至液氮冷却系统。 第三类为高重复频率、高能量激光系统。其典型激光特性参数为重复频率几十兆赫兹，平均功率超过百瓦量级，相应单脉冲能量为几十微焦。小型化的该类激光系统具有极高的应用价值。 高功率高重复频率超短脉冲的激光的研究始于2000年，德国Jena大学和马普实验室合作获得了平均功率22W皮秒脉冲激光。2003年，这一研究小组继续报道了该啁啾脉冲光纤放大系统，其输出特性为平均功率75W、脉冲宽度400fs。同年8月，美国Cornell大学的研究小组报道了一种全光纤的啁啾脉冲放大系统，得到平均功率300mW、120fs的脉冲，其重复频率为50MHz。2005年，Jena大学研究小组以锁模Yb:KGW激光器为种子源，采用啁啾脉冲放大的方式，在衍射光栅展宽后，用两级光子晶体光纤放大，最后用光栅对压缩得到的13lW的平均功率，其脉冲宽度为220fs。同年，美国的IMRA公司报道了650fs、100μJ的全光纤啁啾脉冲放大系统。2008年，法国Celia实验室成功的将飞秒脉冲直接放大，得到了8W、49fs的脉冲激光，其重复频率为10KHz。 我国在这个方向的研究始于2004年，研究人员用调Q激光器作为种子源，用双包层掺镱光纤作为增益介质，在20kHZ时放大得到了0.3mJ的脉冲能量。2005年，我国报道了一种脉冲泵浦的掺镱光纤放大系统，以调Q的Nd:YAG微片激光器为种子源，在200Hz时，最大得到138μJ的单脉冲能量，其脉冲宽度为0.83ns。2008年，我国研制成功39fs、16W的全光子晶体光纤飞秒激光系统。
