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详解美国海军的超短脉冲激光技术发展项目

2015-06-30 09:24
FlappyBird
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  在美国以及世界各地的学术界以及政府和产业实验室所从事的基础研究和应用研究工作表明,超短脉冲激光器(USPLs)的广泛应用具有重大前途。正如光学工程期刊最近列举的一个特殊例子,这些应用涵盖了从基本科学研究探索基本物理和各种化学反应性质、光与物质相互作用、大多数材料相互作用和先进制造技术。

  正如其他人注意到的,超短脉冲与物质相互作用在时间尺度上会产生非热效应。对于基础物理和化学研究,脉冲的性质允许研究人员探测详细动力学以及光子吸收和化学反应的动力学、并提供一种可以在频谱和时间领域调整的宽带源。对于散装材料的相互作用,已表明超短脉冲可以用于删除各种材料减少或消除热影响区域的问题。反过来,这也帮助激光器制造商开发先进的制造技术用于工业生产过程。

  使USPL源从实验室转化变成制造产品的一个关键推动者是USPL技术的商业化。从2006年开始,美国国防部,特别是美国海军,发起了一项超短脉冲激光技术开发项目将USPL系统分解为可以独立追踪和改善的子系统和部件,部件的增量和革命性改进引发USPL能力的显著进步以及总体技术成熟度。

  该报告总结了项目,包括如下内容:概述推动USPL源的动机,重点强调商业应用如机械制造的实际意义;简要概述USPL系统构架和关键部件整体性能;概述这些部件的实际科技发展技术,最后,简要总结该项目取得的几个显著技术成果。

  1.动机

  为什么是超短脉冲激光器?

  超短脉冲激光器是产生飞秒量级(10-15s)光脉冲的的设备。产生这些脉冲的设备通常称为模式锁定激光器——激光源所有共同相位的纵向模式振荡。结果,超短振荡器产生的这些脉冲的重复频率与激光腔的往返时间相关(通常为兆赫兹的10’s~100’s),时域脉冲持续时间(即脉冲宽度)由激光器的光谱含量的傅里叶变换给出。

  USPL系统可以在不产生过大热影响区的条件下实施材料加工,图1给出了区别。

  如图1所示,对比于连续波或纳秒脉冲源,高精度打孔或切割的应用使用USPL源将大大获益。随着加工材料灵敏度的变化,也很有必要使用USPL源。例如许多先进玻璃、聚合物和介电材料对于热高度敏感,当被加热时易变脆,甚至在很小程度上。

  图1不同激光脉冲类型下的材料加工对比

  目前技术

  USPL源的大多数实验室都是基于闪光灯泵浦掺钛蓝宝石晶体,实现多级放大,产生的脉冲宽度为10~100fs,脉冲能量为几微焦。备用波长可由二极管泵浦铒玻璃或晶体(1.5微米)或者掺杂镱玻璃或晶体(1微米)。各种非线性转换过程可以产生更长或更短的波长。传统上,由于较差的耐用性(所造成的机械振动不稳定性)和对环境的敏感性这些大型固态系统不适合工业应用。从系统的角度来看,大多数的耐用性和环境敏感性问题都可以追溯到自由空间光学架构上。可靠性、可维护性、模块化——对所有商用激光器系统的高度期望的属性,常常与给定激光系统内的自由空间光学元件的数量是负相关的。

  2.海军技术发展项目

  目标

  海军的技术发展项目的目标是开发能够制造高性能、结构紧凑、轻巧的USPL系统的总体架构及其组件,系统工作在数毫焦脉冲能量、亚皮秒脉冲持续时间、10~100kHz重复频率,运行波长为1.5微米,可以通过计算机软件控制实现远程遥感操作。由于光纤对环境条件(包括温度、湿度和冲击/振动)的相对不敏感性,首选的技术发展路线是基于光纤的,尽管大尺寸布拉格光栅展宽和压缩机技术是兴趣点,由于在尺寸和重量节省方面取得了革命性的进步。

  高脉冲能量和亚皮秒脉冲持续时间的基本原理是显而易见的,更高的峰值功率可以实现更高效的机械加工。选择1.5微米波长是因为它代表了中红外波长并且是“人眼安全”的波长范围。此外,有人认为掺铒光纤系统在上世纪取得的进步有利于推动技术的快速发展。

  海军SBIR项目

  美国国防部的一小部分预算是预留给小企业创新研究计划的。一年几次,每个国防部部门都会公布可获得资助的研究课题。从2006~2007年开始持续到2013年,美国海军发布了9个不同的研究主题涵盖整个USPL系统链(见下文)。从这些主题签发了几十个合同给小企业,推动了USPL技术最先进发展。

  正如上面提到的,美国海军USPL技术发展规划认识到有必要解决USPL产生和放大过程的每一步。计划远景为每个元素描绘了一个或多个主题,如图2所示。

  图2USPL组件及性能目标蓝图

  具体来说,研究主题包括光纤放大器技术和材料开发、紧凑压缩机技术开发、光纤传输技术开发、脉冲相位压缩技术及技术开发。

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