国防科技大学?光学工程学科专刊:学科交叉视角下的光纤激光:回顾与展望(特邀)

   2024-01-30 1610
核心提示:国防科技大学?光学工程学科专刊:学科交叉视角下的光纤激光:回顾与展望(特邀)

编者按

2023年,国防科技大学迎来了办学70周年。为推动创新驱动发展战略,全面展现国防科技大学光学工程学科建设发展的重要成果,中国光学工程学会会刊《红外与激光工程》在芙蓉迎夏的6月与国防科技大学联合出版“国防科技大学?光学工程学科专刊”,并特邀国防科技大学前沿交叉学科学院的周朴研究员所在课题组为专刊撰写“学科交叉视角下的光纤激光:回顾与展望” 综述文章,文中从学科交叉视角,梳理本校光纤激光学科方向与电子、材料、控制、智能、纳米等学科方向交叉取得的若干重要突破,并分析交叉科学研究和交叉学科建设面临的机遇。

撰稿人:周朴、吴坚

论文题目:学科交叉视角下的光纤激光:回顾与展望(特邀)

作者:周朴,蒋敏,吴函烁,邓宇,常洪祥,黄良金,吴坚,许将明,王小林,冷进勇

完成单位:国防科技大学 前沿交叉学科学院;国防科技大学 试验训练基地

导读

光纤激光是本世纪以来国内的研究热点。国防科技大学在光纤激光方向的研究始于“十一五”期间,至今已有约15年的历程。学校光纤激光的研究主体依托于光学工程学科。光学工程是学校的优势学科之一,近几轮学科评估中得到了很好的成绩,为光纤激光方面的研究提供了高水平的科研平台和人才队伍等;另一方面,光纤激光的发展也受益于学校学科门类比较齐全的优势和在学科交叉方面的有益探索与实践。本文从学科交叉视角,梳理学校光纤激光学科方向与电子、材料、控制、智能、纳米等学科方向交叉取得的若干重要突破,从科研范式演进、学科主体驱动、应用需求牵引和科教融合发展等四个方面分析交叉科学研究和交叉学科建设面临的机遇。

研究背景

光纤激光是本世纪以来国内激光研究与应用领域的热点。国防科技大学是国内较早开展相关研究的单位之一,形成了比较完成的创新链条,取得了自主知识产权软件、虚拟仿真课程、多种类型的激光光纤、高功率高光束质量单频/窄线宽/宽带光纤激光器、级联泵浦/半导体直接泵浦高功率高光束质量光纤激光器、高功率可见光/近红外/中红外超连续谱光源、千束激光相位控制/高功率光纤激光相干合成系统等为代表的系列研究成果。

主要内容

“十一五”以来,学校的光纤激光方向取得了一系列代表性研究结果,其中来自不同学科的启发起到了重要作用。随着新一轮科技革命、产业变革的突飞猛进和教育教学方式的不断创新,为交叉科学研究和交叉学科建设提供了新的机遇,也为光纤激光方向的发展提供了广阔空间。本文从学科交叉的视角,回顾电子、材料、控制、智能、纳米等学科的知识与技能运用于光纤激光研究带来的重要研究进展,分析发展面临的挑战与机遇。
1 相干合成相位控制:电子学科
多束光纤激光相干合成是本世纪以来光纤激光学科方向的研究前沿和热点,被认为可以实现提升系统输出功率的同时保持良好光束质量。对多束激光的相位进行有效控制是实现相干合成的基本条件之一,控制方法主要可分为“被动相位控制”和“主动相位控制”两大类。为提高在强噪声、大阵元条件下的相位控制能力,学校科研人员充分借鉴电子学科的相关原理与技术,将其引入光纤激光相干合成系统。在激光相位控制方面,学校先后实现6束(2009年)、16束(2010年)、32束(2014年)、60束(2018年)、100束(2020年)规模、400束(2022年)规模和1000束(2023年)规模激光相干合成:在系统集成方面,课题组先后实现光纤激光相干合成千瓦级(2010年)、5千瓦级(2016年)、8千瓦级(2019年)和20千瓦级(2021年)功率输出。
2 高功率高光束质量激光:材料学科
近年来,学校科研人员更加重视从激光光纤材料本身出发,在研究光纤掺杂离子组分/配比、镱离子配位场等因素对光纤性能影响的基础上,进一步从光纤的横、纵向维度参数优化着手,设计并制备具有非线性效应和模式不稳定效应抑制功能的激光光纤,在部分掺杂光纤、低数值孔径光纤、沟壑光纤、偏振保持光纤以及锥形光纤等特种光纤的设计、制备及表征方面开展了系统的研究,并取得了良好的效果。相关研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等支持。学校科研团队使用自研光纤,研制出了高性能部分掺杂光纤,支撑实现了10.1 kW的高亮度宽谱激光输出以及6 kW级高亮度窄线宽激光输出;沟壑光纤在实验中相继获得了800 W近单模激光及1.5 kW高光束质量激光输出;线偏振窄线宽激光的输出功率提升到5 kW;锥形光纤的纤芯尺寸实现了400 W级近单模单频激光输出、4 kW级近单模窄线宽激光输出、万瓦级高亮度宽谱激光输出。
图 1 光纤结构示意图:(a)部分掺杂光纤;(b) 单沟壑光纤;(c) 偏振保持光纤;(d) 锥形光纤。
3 波形可定制脉冲光纤激光:控制学科
波形可定制的脉冲光纤激光在先进制造、科学研究等领域具有重要应用需求。学校科研人员在实验中对连续种子施加电驱调制获得脉冲激光,后接光纤放大器进行功率放大。研究团队采用正向迭代法获取目标脉冲输出需要的输入脉冲。该方法将光纤放大器系统做黑箱处理,不考虑具体放大器参数,在探测实时输出脉冲波形的基础上,基于优化算法迭代更新输入的脉冲波形,直至光纤放大器的输出脉冲波形逼近目标波形。通过SPGD算法优化调制器的电信号,实现对光纤放大器输入脉冲波形的调控,最终获得了矩形、椭圆形等多种指定脉冲波形,目标脉冲和实际输出脉冲峰值功率的相对误差小于1%。
图 2 脉冲光纤激光波形调控示意图
4 快速模式分解与光束质量测量:智能学科
光纤中传输的模式是光纤激光特性的核心参数之一。模式分解作为获得模式组成信息的关键技术一直是光纤激光技术研究领域的重要组成部分。2019年,学校科研人员首次提出了基于深度学习的模式分解方法,在计算机中生成若干随机模式成分及其对应的光斑图像作为学习样本,对卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)进行训练,使得训练好的网络可实现从测得的光斑图像中通过非线性映射关系而得到模式信息,利用该网络成功实现了每秒30帧图像的分解速度,依据分解结果得到的重构光斑与待测光斑平均相关度达到0.9719。2022年,实现基于无监督深度学习的智能模式分解,相较于基于CNN的有监督深度学习模式分解方法,无需额外的模间相位筛选过程,可实现从光强图像到复值模式系数的一次性分解;此外,无监督学习还可根据实验采集的光强图像不断更新优化网络性能提升模式分解能力。
图 3 (a) 基于深度学习的模式分解原理示意图;(b) 基于深度学习的模式分解应用实例图
5 超长时间稳定高性能脉冲光纤激光:纳米学科
纳米学科是当前科学前沿,与纳米学科交叉,利用材料的新特性,满足光纤激光的需求,可以实现长时间稳定高新能脉冲光纤激光。光纤激光器的长期工作性能对于工业和科学应用尤为重要。学校科研人员基于纳米材料的锁模激光器实现了超过164天的稳定输出。
图4  基于CsCu2I3 SA的超快脉冲光纤激光器输出脉冲的特性

结论与展望

光学工程是学校开展光纤激光的主要支撑学科,从科研项目、科研条件、科技政策、人才队伍和研究生生源等多方面支撑光纤激光研究工作。与此同时,学科交叉也对光纤激光方向的科研起到了很大的促进作用。学校光纤激光方向取得了一系列重要成果,这与光学工程学科的支持以及其他相关学科的深度交叉融合紧密相关。不断地综合发展,从综合到更大的综合,是本世纪人类科学技术发展的持续趋势,这种融合趋势体现在科学研究、学科建设、人才培养等多个方面。尽管光纤激光的发展也遇到很多困难和挑战,但随着交叉学科建设和交叉科学研究的持续推进,光纤激光方向必将持续产生更多创新成果。

作者简介



周朴,国防科技大学研究员、博士生导师,“王大珩光学奖中青年科技人员光学奖”获得者、全国优秀博士学位论文作者,第十二届全国青联委员,第十三届全国青联委员、常委,目前主要从事科研管理以及激光等领域的科研、人才培养、战略研究工作,主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目等10余项科研项目,在高功率光纤激光、激光光束合成等方向以及交叉学科领域取得了创新研究成果,入选国家级高层次人才计划。


王小林,国防科技大学副研究员、副研究员,硕士生导师,湖南省杰出青年基金获得者,主要从事大功率光纤激光及应用研究。主持省部级项目10余项,合作出版专著2部,以第一或通信作者发表SCI论文100余篇,获得授权发明专利10余项、软件著作权9项。


黄良金,国防科技大学副研究员、硕士生导师,主要从事特种光纤制备、激光模式诊断和高功率光纤激光器等方面的研究工作。

文章信息

周朴, 蒋敏, 吴函烁, 邓宇, 常洪祥, 黄良金, 吴坚, 许将明, 王小林, 冷进勇. 学科交叉视角下的光纤激光:回顾与展望[J]. 红外与激光工程. doi: 10.3788/IRLA20230334

全文链接:http://irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20230334(阅读原文)

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文章转载自微信公众号:光电e+

 
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