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中国光纤激光器的“全明星”

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回顾近几年激光技术的发展,光纤激光器作为新型光源一直保持着快速的发展,并逐渐在扩大应用领域。目前国内光纤激光器整体水平与国际相比仍有一定的差距,但是随着国内各大研究所及企业的不断突破,国内外的差距正在逐渐缩小。

光纤激光器作为目前最为活跃的激光光源器件,是在EDFA技术基础上发展起来的技术,它是激光技术的前沿课题。

早在1961年,美国光学公司的E.Snitzer等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作,但由于相关条件的限制,其实验进展相对缓慢。而80年代英国Southhampton大学的S.B.Poole等用MCVD法制成了低损耗的掺铒光纤,从而为光纤激光器带来了新的前景。

随着光纤通信系统的广泛应用和发展,超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。其中,以光纤作基质的光纤激光器,在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面,已明显取得进步,是目前光通信领域的新兴技术,它可以用于现有的通信系统,使之支持更高的传输速度,是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。

目前光纤激光是激光技术研究的前沿课题,光纤激光器具有体积小、效率高、光束质量好、节能环保等优势,在光通讯、激光加工、激光医学、生物技术等领域具有广阔的应用前景。近年来,我国光纤激光技术有了长足发展,但整体水平和可持续发展能力与世界先进水平仍有明显差距。为提升我国光纤激光技术的整体水平,满足国家重大战略需求,国防科技大学光电科学与工程学院联合清华大学精密仪器与机械学系、中国科学院上海光学精密机械研究所于去年共同组建成立了全国首个大功率光纤激光协同创新研究中心。

国防科技大学光电科学与工程学院、清华大学精密仪器与机械学系、中国科学院上海光学精密机械研究所等3家在光纤激光领域的优势单位,将通过建立技术联盟、共享仪器设备、联合培养人才、互聘研究骨干等形式,围绕突破光纤激光核心关键技术开展军民融合协同创新,共同推动我国光纤激光技术的快速发展。

根据有关协议,共建各方将以协同创新中心为载体,充分发挥各自优势,通过强强联合、协同创新,共同推进光纤激光技术发展,共同研制开发具有世界先进水平的光纤激光器,改变我国高功率光纤激光器依赖进口、核心技术和知识产权受制于国外的状况,促进我国光纤激光技术水平的整体提升和可持续发展。鉴于中国在光纤激光器领域逐渐取得的成就,OFweek激光网将为您盘点近日国内光纤激光器领域取得重大进展的事件。

一、石墨烯飞秒光纤激光器创造最短脉冲宽度和最高峰值功率

去年年底,泰州巨纳新能源有限公司研制的商用石墨烯飞秒光纤激光器(Fiphene)问世,这也是全球首台商用石墨烯飞秒光纤激光器。同时,该激光器还创造了脉冲宽度最短(105fs)和峰值功率最高(70kW)两项石墨烯飞秒光纤激光器世界纪录。

飞秒光纤激光器的应用领域非常广阔,包括激光成像、全息光谱及超快光子学等科研应用,以及激光材料精细加工、激光医疗(如眼科手术)、激光雷达等领域。传统的飞秒光纤激光器核心器件——半导体饱和吸收镜(SESAM)采用半导体生长工艺制备,成本很高,且技术由国外垄断。

在飞秒光纤激光器领域,石墨烯被认为是取代SESAM的最佳材料。2010年诺贝尔物理学奖获得者撰文预测石墨烯飞秒光纤激光器有望在2018年左右产业化。要实现真正的产业化,需要解决高质量石墨烯制备、大规模低成本石墨烯转移、石墨烯与光场强相互作用、石墨烯饱和吸收体封装以及激光功率稳定控制等一系列关键技术。泰州巨纳新能源有限公司经过多年持续研究,成功攻克了这些关键技术,率先实现了石墨烯飞秒光纤激光器的产品化,主要性能指标均高于同类产品,具有很高的性价比和很强的市场竞争能力。

该产品被命名为Fiphene,取Fiber(光纤)和Graphene(石墨烯)两个词的组合。泰州巨纳新能源有限公司计划以Fiphene为平台,推出更多石墨烯光纤激光器产品,将石墨烯的应用发展向前推进。

二、国际上首台进入太空的高重频、ns短脉冲的光纤激光器

“激光测距敏感器在着陆前30分钟开机工作,激光三维成像敏感器的测量范围是50至120米,大约从距月面100米处开始工作,为嫦娥三号提供着陆区三维地形信息,调整着陆器姿态,帮助它避障。两个核心仪器圆满完成了测距和避障任务。”12月16日,执行完嫦娥三号着陆器软着陆任务,中科院上海技术物理所研究员舒嵘回到研究所,在和记者交谈的话语中依然带着成功的兴奋。

嫦娥三号预选着陆区虹湾相对平坦,但月球表面仍然存在坡度、石块等不确定地质条件。中科院上海技术物理所研究员王建宇表示,嫦娥三号携带的激光测距敏感器、激光三维成像敏感器等就相当于“嫦娥”的“眼睛”。就是让嫦娥三号能够避开障碍、找到一个10米见方的安全着陆区。它们对月球表面快速扫描,并绘制出立体影像。

参加试验任务的黄庚华和徐卫明博士说,最后的数据显示,在98米的高度时,激光三维成像敏感器开始工作。

“虽然我们拿不到图像,但它算完一个避障结果,将这个值返回到地面,就说明它找到合适的着陆地点了。”舒嵘介绍说,这个时间非常快,它获得信息一共只有0.25秒,处理时间也就是在几秒钟之内。

激光测距敏感器继承了嫦娥一号激光高度计的技术,并在此基础上有所改进。一是精度从原来的5米提升到0.2米;二是大幅“瘦身”,重量只有15.7公斤。这是因为嫦娥三号既要着陆又载有巡视器,对整机重量的要求比较苛刻。

据悉,中科院上海光学精密机械研究所为这两个激光敏感器提供了非常重要的光源——高可靠的、核心的小型全固态激光器和光纤激光器。

上海光机所激光器主任设计师侯霞研究员认为:“激光器是空间激光应用系统中最核心的单机,也是确保航天激光应用成功的关键。”这个光源重复频率高、脉宽窄,抗震动能力强,并提供两个方向的激光束,同时提供远、近测距能力,激光测距敏感器在整个落月过程中实时提供嫦娥三号与月球表面的距离数据。王建宇表示:“嫦娥三号着陆时,要使用7500牛的发动机反推,会产生较大震动,必须对这一点有所规避。”

侯霞表示,上海光机所研制的光纤激光器在国际上都属于领先水平,是目前国际上首台进入太空的高重频、ns短脉冲的光纤激光器。

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