飛秒激光器的研制與發(fā)展概況
發(fā)布時(shí)間：2021-02-05 11:14
2020年是激光發(fā)明60周年，激光技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展極大地改變了世界。飛秒激光器的構(gòu)造為促進(jìn)激光技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展，中國(guó)工程院于2018年啟動(dòng)了“我國(guó)激光技術(shù)與應(yīng)用2035發(fā)展戰(zhàn)略研究”重點(diǎn)咨詢項(xiàng)目，本文是項(xiàng)目研究綜合報(bào)告。文章簡(jiǎn)要分析了飛秒激光器的研制與發(fā)展概況，分析了我國(guó)激光技術(shù)在前沿激光、制造加工、信息通信、醫(yī)療診治等領(lǐng)域的科研和應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀，梳理了多個(gè)制約加速發(fā)展的問(wèn)題，提出了我國(guó)激光技術(shù)及應(yīng)用2035年發(fā)展目標(biāo)設(shè)想及政策措施建議。
飛秒激光器的研制與發(fā)展概況
超快脈沖激光器通常脈沖長(zhǎng)度小于1納秒。飛秒激光器則更進(jìn)一步，可以在30飛秒至800飛秒的周期內(nèi)產(chǎn)生高品質(zhì)的超快脈沖。在人類看來(lái)，這個(gè)時(shí)間究竟有多短呢？一種方法是比較激光器開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間。常規(guī)使用模型一般是100飛秒的激光脈沖，重復(fù)頻率為100KHz。如果將100飛秒轉(zhuǎn)化為1秒，相當(dāng)于下一個(gè)脈沖要在3.5年后才發(fā)生！因而，這有效地將熱量對(duì)材料產(chǎn)生影響的時(shí)間縮短到最低限度，并最大程度地延長(zhǎng)了材料的熱釋放時(shí)間。從而使得飛秒激光器具有兩大優(yōu)勢(shì)。
激光制造應(yīng)用是激光產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的主要方向，包括去除與連接、表面工程、增材制造、修復(fù)與再制造和微納制造等5類，產(chǎn)值規(guī)模占激光應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的30%以上。激光制造具有易于操作、非接觸、高柔性、高效率、高質(zhì)量和節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，是切割、焊接、表面處理、高性能復(fù)雜構(gòu)件制造和精密制造的主流手段，被譽(yù)為“萬(wàn)能加工工具”“未來(lái)制造系統(tǒng)共同的加工手段”，引領(lǐng)了先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)智能化進(jìn)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
飛秒激光技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展與應(yīng)用開(kāi)拓，是當(dāng)前國(guó)際上激光技術(shù)乃至現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中一個(gè)非常重要的前沿領(lǐng)域。飛秒激光的應(yīng)用涉及很多科學(xué)技術(shù)的前沿，如超快乃至極端超快非線性光學(xué)前沿、量子相干操控原子與電子、強(qiáng)場(chǎng)與超強(qiáng)玚科學(xué)技術(shù)、相對(duì)論性非線性物理與光學(xué)、強(qiáng)場(chǎng)核物理與天體物理；同時(shí)，在相關(guān)戰(zhàn)略高技術(shù)方面涉及的有突破飛秒（10-15s）級(jí)壁壘的阿秒（10-8s）科學(xué)新原理、小型化超高梯度粒子加速度新方案、激光核聚變“快點(diǎn)火”新途徑超短波長(zhǎng)超快臺(tái)式相干輻射源新機(jī)制、飛秒頻率梳新技術(shù)、太赫茲相干輻射產(chǎn)生新機(jī)理等。
黨的“十九大”確定了2035年基本實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化和躋身創(chuàng)新型國(guó)家前列的戰(zhàn)略目標(biāo)，這為激光技術(shù)和應(yīng)用帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，也對(duì)激光技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展提出了高標(biāo)準(zhǔn)的要求。我們必須充分認(rèn)識(shí)激光技術(shù)與應(yīng)用的作用和潛力，認(rèn)清制約發(fā)展的困難與挑戰(zhàn)，加強(qiáng)統(tǒng)籌謀劃，以改革的大無(wú)畏精神和勇氣突破各種制約，堅(jiān)持自主創(chuàng)新和開(kāi)放創(chuàng)新，堅(jiān)持應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)為目標(biāo)牽引，強(qiáng)化激光技術(shù)攻關(guān)，完善激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài)，積極搶占國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)，為中華民族偉大復(fù)興中國(guó)夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)力量。
近年來(lái)，隨著固體飛秒激光器的發(fā)展，飛秒光纖激光器已經(jīng)成為其強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。它的最大優(yōu)點(diǎn)是小型化、高效率、省能源、穩(wěn)定性好。具有這些優(yōu)點(diǎn)的最大原因是稀土摻雜的光纖作為激光器增益介質(zhì)。首先，光纖介質(zhì)細(xì)長(zhǎng)、易于散熱，相同體積下，表面積比固體激光介質(zhì)增大2至3個(gè)數(shù)量級(jí)；另外，光纖激光器的激光橫模由光纖纖芯直徑與數(shù)值孔徑?jīng)Q定，不會(huì)因熱變形而變化，因此易于保持單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)光纖的雙包層結(jié)構(gòu)，有利于提高轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。
本文回顧了飛秒激光器的研制與發(fā)展概況，并概述了飛秒激光器的構(gòu)造，以及飛秒光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)，然后簡(jiǎn)要說(shuō)明了實(shí)現(xiàn)飛秒光纖激光器的技術(shù)途徑，并著重介紹了國(guó)內(nèi)外飛秒光纖激光器生產(chǎn)商的代表產(chǎn)品。
目前，國(guó)內(nèi)外各大飛秒光纖激光器生產(chǎn)商，仍然在不斷積極探索利用半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、新型非線性光學(xué)材料、分子聚合物等把飛秒激光器做得小型化、高效率化、集成化和通用化的技術(shù)途徑。這也是飛秒光纖激光器未來(lái)實(shí)用化的發(fā)展方向。
隨著飛秒激光器的進(jìn)一步發(fā)展和完善，一定能開(kāi)辟出更多的應(yīng)用前景。
