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国际领先的光子晶体光纤飞秒激光技术

2015-09-29 08:53
论恒
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  人类诞生以来,自古至今人类一直与时间这一最基本概念联系在一起。对于宏观、低速运动的描述,秒级的时间精度已经可以了。描述微观世界快速运动的时间精度需要毫秒(10-3秒)、微秒(10-6秒)、纳秒(10-9秒)、皮秒(10-12秒)和飞秒(10-15秒),与此相应发展起来的电子技术也先后可以产生毫秒、微秒、纳秒和皮秒的电脉冲,用以研究物理、化学中电子运动的快速过程。单靠电子技术无法产生飞秒脉冲。上世纪六十年代诞生的激光技术为产生皮秒和飞秒光脉冲提供了一个新的技术手段。利用激光的锁模技术,先在上世纪七十年代实现了皮秒脉冲激光的运转,继而又于1981年实现了飞秒脉冲激光的运转。至此,人类开始进入了一个崭新的飞秒时代。

  以染料激光为代表的第一代飞秒激光始于1981年,它的出现将物理、化学等基础学科的研究引进了一个前所未有的超快时代,使人类第一次在微观世界中进入到飞秒时代,从而推动了物理、化学等学科的超快动力学的研究,发现了大量超快新现象,揭示了大量的微观世界新的运动规律。但是,由于材料的不稳定性造成染料激光器运转的不确定性,使得超快领域的研究受到极大的限制。以掺钛蓝宝石固体激光器为代表的第二代飞秒激光于1991年诞生,它所具有的材料稳定性和运转的可靠性,使其很快淘汰了飞秒染料激光。但是,一方面钛宝石飞秒激光系统成本昂贵;另一方面,钛宝石飞秒激光系统受周围环境影响极大,整个系统不得不安置于超净、防震、恒温的特定实验室。所以第二代飞秒激光的娇嫩性使其只能用在极其特定的实验室中,加之其成本昂贵的贵族身份,其应用受到极大的限制,阻碍了飞秒激光应用和普及。光子晶体光纤飞秒激光技术具有成本低廉、结构简单、运转稳定、高功率、可集成等一系列优点,成为飞秒激光应用和普及化的关键。

  光子晶体光纤飞秒激光器以其独有的特点克服了第二代飞秒激光器的上述缺陷,即将成为相对完美的第三代飞秒激光。这是因为,第一、光子晶体光纤激光可以由半导体激光器直接泵浦实现,使成本大幅度下降;第二、飞秒激光器所需要的增益、色散补偿和非线性三大功能可在一根光子晶体光纤中完成,从而使飞秒激光系统成为极其简约、固定而无需调整的“傻瓜”系统;第三、光子晶体光纤飞秒激光系统的光束完全被封闭在纤芯中,大大减小了周围环境的影响,将飞秒激光器从超净、恒温和防震的高级实验室中解放出来;第四、光子晶体光纤具有大的表面-体积比,散热极好,可以做成高功率器件,光子晶体光纤飞秒激光放大系统的平均功率比钛宝石飞秒激光高出2个数量级;第五、双包层大纤芯光子晶体光纤在高功率情况下的单模运转和高的光束质量(M2<1.1)是普通双包层大功率光纤激光器所无法比拟的。综上所述,以光子晶体光纤为代表的第三代飞秒激光的低廉的成本,能抗击外部环境影响的封闭式结构,无需繁琐调试的集成化以及高功率高光束质量等突出优势决定了其工作的稳定性、可靠性、简约性和普及性,从而将开创一个飞秒激光应用普及的新时代,在众多的基础学科、高新技术、国防应用以及大科学工程中发挥其不可代替的重要的独特作用。

  天津大学在国际上同步开展了光子晶体光纤飞秒激光技术。在国际上率先研制成功全光子晶体光纤飞秒激光放大系统,进一步又成功实现了更高功率的多芯光子晶体光纤飞秒激光振荡级和放大系统。在振荡器中获得了76飞秒的脉冲,在放大系统中获得150兆瓦的峰值功率等世界领先水平的研究成果。在基础研究的同时,将上述新型激光源实现了样机化,满足了国内外十余家研究单位的应用。2006年以来已经发表论文近200篇,发表在Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express等二区以上高水平论文40余篇,被SCI他引数百次。其中基于光子晶体光纤弯曲损耗的可调谐滤波器一文被国际评论性杂志Photonics Spectra评价为迄今为止最简单的可调谐滤波器。两篇论文成为封面文章,一篇入选2009年“中国百篇最具影响国际学术论文”。授权专利13项。2007年入选全国百篇优秀博士论文1篇,2011年和2014年入选全国百篇优秀博士论文提名奖2篇。全国光子晶体光纤飞秒激光技术于2008年入选中国高等学校十大科技进展,并于2009年获得教育部技术发明一等奖。在此基础上开展了多个前沿领域的研究工作,在飞秒微纳加工、高功率太赫兹时域光谱仪、生物光子学、远距离精密测距等方面取得了不俗的成绩。在国际上首次实现利用飞秒激光控制细胞钙通道。在Nature Photonics、Scientific Reports等顶级期刊发表多篇论文。

 

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