我國(guó)光纖激光相干合成獲重大成果

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摘要：近日，來自中國(guó)科學(xué)院、教育部高校和國(guó)內(nèi)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)從事光電子、激光、信息、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等技術(shù)領(lǐng)域的多位院士、專家在長(zhǎng)沙考察、鑒定了國(guó)防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院研制的“千瓦級(jí)光纖激光相干合成試驗(yàn)系統(tǒng)”。 　　近日，來自中國(guó)科學(xué)院、教育部高校和國(guó)內(nèi)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)從事光電子、激光、信息、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等技術(shù)領(lǐng)域的多位院士、專家在長(zhǎng)沙考察、鑒定了國(guó)防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院研制的“千瓦級(jí)光纖激光相干合成試驗(yàn)系統(tǒng)”。
　　
　　專家組鑒定意見指出：“該項(xiàng)目在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)光纖激光千瓦級(jí)相干合成輸出，系統(tǒng)輸出功率達(dá)到1.5千瓦。該系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)難度大，在光纖激光相干合成理論和技術(shù)上有重大創(chuàng)新，是高功率激光相干合成領(lǐng)域的重大突破。系統(tǒng)綜合水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，相干合成輸出功率、寬譜和多波長(zhǎng)激光相干合成等技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先?！?br>　　
　　這標(biāo)志著我國(guó)科學(xué)家在光纖激光相干合成理論和技術(shù)領(lǐng)域獲得了重大的自主創(chuàng)新成果。
　　
　　據(jù)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(xué)研究發(fā)現(xiàn)，只有傳輸振動(dòng)方向一致、頻率相同、相位差恒定的光束才能稱之為“步調(diào)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(shí)會(huì)出現(xiàn)“干涉現(xiàn)象”，這種干涉可能是建設(shè)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(gè)原子發(fā)出的光子在頻率、振動(dòng)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(shí)間上的相干性。
　　
　　由于激光是受激輻射產(chǎn)生的，因而其光波具有相同的頻率、方向、振態(tài)和嚴(yán)格的位相關(guān)系。激光需要有激光器才能產(chǎn)生。激光器產(chǎn)生的激光具有亮度高、方向性好、相干性好3個(gè)重要特性。不同波段（1～14微米）的激光，有不同的用途，如波長(zhǎng)2.0微米的激光在氣象監(jiān)測(cè)、激光測(cè)距、激光雷達(dá)等方面具有廣泛應(yīng)用，2.8微米波長(zhǎng)激光則可應(yīng)用在生物、醫(yī)療等領(lǐng)域，而3.0～5.0微米波段激光具有很強(qiáng)的大氣穿透能力，具有應(yīng)用于激光制導(dǎo)、激光遙感等領(lǐng)域的巨大潛能。由于高亮度激光在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求，激光技術(shù)被列為《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》前沿技術(shù)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(zhì)的激光器。光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，能夠獲得高光束質(zhì)量激光輸出，已成為繼化學(xué)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(yīng)、熱效應(yīng)、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(shí)現(xiàn)高功率和高光束質(zhì)量，構(gòu)建模塊化的光纖激光“組合”，并對(duì)其進(jìn)行相干合成是最理想的解決方案，已成為當(dāng)前全球激光技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國(guó)際上有40多家機(jī)構(gòu)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(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室（AFRL）實(shí)現(xiàn)了5路百瓦級(jí)光纖激光放大器相干合成，輸出功率為725瓦。
　　
　　面對(duì)激光技術(shù)前沿領(lǐng)域的這一世界性難題，國(guó)防科技大學(xué)新體系結(jié)構(gòu)固態(tài)激光實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)帶頭人、教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人、國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目首席專家劉澤金帶領(lǐng)高能激光技術(shù)科研團(tuán)隊(duì)，發(fā)明了基于隨機(jī)并行梯度下降和單頻抖動(dòng)的光纖激光相干合成相位控制方法（簡(jiǎn)稱“優(yōu)化算法”），實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了寬譜（約30GHz的譜線寬度）激光也能實(shí)現(xiàn)部分相干合成的物理現(xiàn)象，提出了用非單頻激光進(jìn)行相干合成的技術(shù)路線，闡明了寬譜、多波長(zhǎng)激光相干合成的物理機(jī)制。
　　
　　他們自行研制出9路百瓦級(jí)光纖激光放大器，當(dāng)總輸入功率為1900瓦時(shí)，相干合成功率可達(dá)1560瓦，這一輸出功率為目前已知的該領(lǐng)域國(guó)際最高水平。
　　
　　用優(yōu)化算法能夠?qū)崿F(xiàn)寬譜和多波長(zhǎng)激光部分相干合成的這一科學(xué)新發(fā)現(xiàn)，打破了此前只有窄譜激光才能實(shí)現(xiàn)相干的認(rèn)識(shí)。
　　
　　他們進(jìn)一步深入研究了該發(fā)現(xiàn)的物理機(jī)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(chǔ)。其研究成果于2009年在美國(guó)出版的國(guó)際光學(xué)領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊OpticsLetters上以封面圖示文章發(fā)表，在國(guó)際激光學(xué)界中引起廣泛關(guān)注。
　　
　　他們和美國(guó)學(xué)者各自獨(dú)立提出將基于隨機(jī)并行梯度下降優(yōu)化算法用于光纖激光相干合成的技術(shù)方案，并單獨(dú)提出了用于光纖激光相干合成的單頻抖動(dòng)相位控制方法，這兩種方法都成功實(shí)現(xiàn)了“不同波長(zhǎng)激光束的同步自動(dòng)對(duì)齊”，解決了相干合成時(shí)相位控制的技術(shù)難題，獲得了高質(zhì)量的穩(wěn)定激光輸出，使目前光纖激光相干合成主動(dòng)相位控制方法達(dá)到4種，得到國(guó)際激光領(lǐng)域同行的贊許。
　　
　　與此同時(shí)，劉澤金等還提出了相干合成光束質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，解決了過去常用的光束質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不能對(duì)相干合成光束進(jìn)行很好描述的問題，被學(xué)術(shù)界認(rèn)可和采用。美國(guó)定向能協(xié)會(huì)出版的《高功率光纖激光器導(dǎo)論》一書采用了該方法，稱其是“孔徑填充相干陣列光束質(zhì)量的最佳測(cè)試方法”，總裝備部光電子技術(shù)專業(yè)組推薦其為我國(guó)相干合成激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。