我国光纤激光相干合成获重大成果

2011-6-17 09:02 来源: 科学时报
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  近日,来自中国科学院、教育部高校和国内有关研究机构从事光电子、激光、信息、计算机应用等技术领域的多位院士、专家在长沙考察、鉴定了国防科技大学光电科学与工程学院研制的“千瓦级光纤激光相干合成试验系统”。

  专家组鉴定意见指出:“该项目在国际上首次实现光纤激光千瓦级相干合成输出,系统输出功率达到1.5千瓦。该系统复杂、技术难度大,在光纤激光相干合成理论和技术上有重大创新,是高功率激光相干合成领域的重大突破。系统综合水平达到国际先进,相干合成输出功率、宽谱和多波长激光相干合成等技术处于国际领先。”

  这标志着我国科学家在光纤激光相干合成理论和技术领域获得了重大的自主创新成果。

  据了解,在自然界,光的相干性(即“一致性”)是一种客观存在。物理学研究发现,只有传输振动方向一致、频率相同、相位差恒定的光束才能称之为“步调一致”的相干光,其光源可称为相干光源。具有相干性的光波叠加时会出现“干涉现象”,这种干涉可能是建设性的,也可能是破坏性的。

  在普通光源中,原子发光过程都是自发辐射过程,各个原子发出的光子在频率、振动方向和初位相上都不相同,所以,光的亮度、方向性、单色性等方面特征各不相同,因此普通光源不具备空间和时间上的相干性。

  由于激光是受激辐射产生的,因而其光波具有相同的频率、方向、振态和严格的位相关系。激光需要有激光器才能产生。激光器产生的激光具有亮度高、方向性好、相干性好3个重要特性。不同波段(1~14微米)的激光,有不同的用途,如波长2.0微米的激光在气象监测、激光测距、激光雷达等方面具有广泛应用,2.8微米波长激光则可应用在生物、医疗等领域,而3.0~5.0微米波段激光具有很强的大气穿透能力,具有应用于激光制导、激光遥感等领域的巨大潜能。由于高亮度激光在国民经济和国防等多个领域有着广泛的应用需求,激光技术被列为《国家中长期科学技术发展规划纲要(2006-2020)》前沿技术之一。

  记者在采访中得知,光纤激光器是指用采用掺有稀土元素的玻璃光纤作为激光介质的激光器。光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑等优点,能够获得高光束质量激光输出,已成为继化学激光器后的新一代高能激光器的重要方向。

  但由于激光与材料之间客观存在的“非线性”效应、热效应、激光元件损伤等因素,单根光纤激光器输出功率有限。

  因此,为实现高功率和高光束质量,构建模块化的光纤激光“组合”,并对其进行相干合成是最理想的解决方案,已成为当前全球激光技术领域的研究热点。国际上有40多家机构在探索如何用中小功率的激光器来合成大功率激光器。 2009年,美国空军实验室(AFRL)实现了5路百瓦级光纤激光放大器相干合成,输出功率为725瓦。

  面对激光技术前沿领域的这一世界性难题,国防科技大学新体系结构固态激光实验室学术带头人、教育部创新团队带头人、国家“973”计划项目首席专家刘泽金带领高能激光技术科研团队,发明了基于随机并行梯度下降和单频抖动的光纤激光相干合成相位控制方法(简称“优化算法”),实验中发现了宽谱(约30GHz的谱线宽度)激光也能实现部分相干合成的物理现象,提出了用非单频激光进行相干合成的技术路线,阐明了宽谱、多波长激光相干合成的物理机制。

  他们自行研制出9路百瓦级光纤激光放大器,当总输入功率为1900瓦时,相干合成功率可达1560瓦,这一输出功率为目前已知的该领域国际最高水平。

  用优化算法能够实现宽谱和多波长激光部分相干合成的这一科学新发现,打破了此前只有窄谱激光才能实现相干的认识。

  他们进一步深入研究了该发现的物理机制,为新一代大功率光纤激光系统的研制奠定了理论基础。其研究成果于2009年在美国出版的国际光学领域著名学术期刊Optics Letters上以封面图示文章发表,在国际激光学界中引起广泛关注。

  他们和美国学者各自独立提出将基于随机并行梯度下降优化算法用于光纤激光相干合成的技术方案,并单独提出了用于光纤激光相干合成的单频抖动相位控制方法,这两种方法都成功实现了“不同波长激光束的同步自动对齐”,解决了相干合成时相位控制的技术难题,获得了高质量的稳定激光输出,使目前光纤激光相干合成主动相位控制方法达到4种,得到国际激光领域同行的赞许。

  与此同时,刘泽金等还提出了相干合成光束质量评价方法,解决了过去常用的光束质量评价标准不能对相干合成光束进行很好描述的问题,被学术界认可和采用。美国定向能协会出版的《高功率光纤激光器导论》一书采用了该方法,称其是“孔径填充相干阵列光束质量的最佳测试方法”,总装备部光电子技术专业组推荐其为我国相干合成激光光束质量评价准则。

  近年来,该课题组在Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express和光学学报等光学领域国内外著名学术期刊上发表论文121篇,其中SCI收录82篇。其阶段性成果“光纤激光相干合成技术”入选了“2009年中国光学重要成果”。