脉冲光纤激光器

近日，西安光机所阿秒科学与技术研究中心在超短激光脉冲光场测量研究方面取得重要进展。研究团队创新性提出基于微扰的三阶非线性过程全光采样方法，该方法的可测量脉冲脉宽短至亚周期，波段覆盖深紫外到远红外，具有系统结构简易稳定、数据处理简单等优点。相关两项研究成果相继发表在Optics Letters。论文第一作者为特别研究助理黄沛和博士生袁浩，通讯作者为曹华保研究员、付玉喜研究员。 　　超短激光脉冲作为探索物质微观世界以及产生阿秒脉冲的重要工具，其完整的电场波形诊断尤为重要。目前普遍采用的表征技术广义上可分为频域测量、时域测量两类。在频域，具体有频率分辨光学门控(FROG)、光谱相位干涉法 (SPIDER)和色散扫描(D-SCAN)等主要方法，通过测量非线性过程产生的光谱信息来间接获取超短脉冲脉宽及相位。此类方法因装置简单易于搭建而被广泛采用，但通常需要复杂的反演迭代算法，并且难以获得光电场信息，而且受限于相位匹配机制，比较难以应用于倍频程以上的激光脉冲测量。 　　而基于时域采样的测量方法通常不受严格的相位匹配限制，并且对电场波形很敏感，可用于直接测量光电场，近年来发展势头较好。研究团队提出基于微扰三阶非线性过程的全光采样方法是一种基于时域采样的测量方法，在实验中分别应用瞬态光栅效应(TGP)和空气三倍频效应(Air-THG)，准确的测量了钛宝石激光器输出多周期脉冲(750-850nm，25fs)、基于充气空心光纤后压缩技术(600-1000nm，7.2fs)和双啁啾光参量放大系统(1300-2200nm，15fs)产生的少周期脉冲，实现了覆盖可见、近红外到中红外波段的超短脉冲测量，可以满足不同波段超短脉冲测量的需求。未来此项进展可以在阿秒驱动源快速诊断、超短激光脉冲测量装置国产化等方面发挥重要作用。

过去的10年，大功率光纤激光器技术快速从实验室向商业化转移。同传统的二氧化碳激光器技术相比较，光纤激光器技术可以提供高质量、更完美和远距离的激光束，额外的优势还包括高效低能耗、低运营成本、工业化维修和便于生产工艺的自动化。在快速增长的世界激光技术应用市场中，光纤激光技术的市场份额已从2006年的占8%增长到2008年的占10%，2013年有望增长到中30%。 　　先进的光纤激光器技术，以毫微微秒(Fentosecond,10-15秒)量级产生激光脉冲，自诞生之日起就以复杂、昂贵和不稳定的特点而闻名。欧盟第七研发柜架计划(FP7)资助1000万欧元，总研发投入1600万欧元，由德国科技人员进行总协调，欧盟7个成员国及联系国德国、瑞士、英国、法国、芬兰、丹麦和瑞典21家机构科技人员参与的欧洲LIFT研发团队，成功地研制出新型的、稳定的和价格合理的大功率毫微微秒光纤激光源，为光纤激光技术的推广应用奠定了基础。研发团队能在相对较短的时间内开发出基于光纤的短脉冲激光发生器和被称作“冷处理”的超短脉冲激光发生器，完全得益于研发团队科技人员的构成及相互协调配合。研发团队的科技人员来自广泛的学科领域，覆盖激光技术科研机构、激光源供应商和光学仪器组件生产企业的科研、实验和工程研究人员及工程师。 　　研发团队在开发光纤激光器技术上的成功，将继续保证欧盟在激光技术及激光制造业的世界领先水平和竞争力。目前，研发团队的主要目标已转向光纤激光技术的商业化应用，包括：利用新一代光纤激光技术的运程切割与焊接工艺的开发 应用于医学的痤疮及粉刺技术已申请发明专利 应用于部分癌症治疗技术的开发 应用于太阳能电池组件制造技术的开发等。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室与激光技术新体系融合创新中心在孤子锁模光纤激光器研究方面取得进展。研究团队报道了锁模光纤激光器中色散波辐射的物理机制及其时域表征。相关研究成果以“Characterization and Manipulation of Temporal Structures of Dispersive Waves in a Soliton Fiber Laser”为题发表于IEEE光学期刊《光波技术杂志》(Journal of Lightwave Technology)。孤子激光器中的色散波在频域上以凯利边带(Kelly sideband)的形式与孤子一同产生，由S. M. Kelly在1992年首次发现并解释，由孤子脉冲在锁模激光器内的周期性放大和衰减所产生，体现在孤子光谱上为一系列关于中心波长对称分布的光谱边带，是与孤子稳定性密切相关的光波成分。在锁模激光器中，凯利边带的产生是限制孤子脉冲能量的重要因素，往往需要通过一些技术方法加以压制；同时，色散波也可以成为孤子之间长距离相互作用的媒介，影响孤子序列的稳定性。之前绝大多数对于孤子激光器中色散波的实验研究集中在对于其频域特性(即凯利边带)的研究，而对色散波时域结构的研究却十分缺乏，不同激光器参数条件对色散波时域结构的影响尚无完整的理论与实验研究。针对这一问题，研究团队建立了孤子光纤激光器中色散波时域结构的动力学模型，用以分析两个重要因素：一是腔内群速度延迟导致的相位匹配关系变化，二是腔内的增益滤波效应；从而推导出了具有双边指数衰减形式的色散波包络形态。在实验上，团队搭建了单向环形锁模光纤激光器，并通过调节腔内色散(改变腔长 30~110 m)以及腔损耗(0~7 dB)，在一定程度上实现了对色散波时频波形的调控与测量。实验结果与理论模型的预测一致。此外，团队也研究了色散波和孤子的响应时间延迟，色散波结构的对称性等色散波特征。这项研究可加深对孤子光纤激光器动力学过程的理解，也为超快光纤激光、光孤子信息处理等应用技术发展提供了一定的参考。相关工作得到了张江实验室建设与运行项目、2021年度博士后创新人才支持计划、中国博后科学基金、上海市2021年度“科技创新行动计划”原创探索项目、国家青年高层次人才项目的支持。图1 色散波产生原理图2 腔色散对色散波衰减速率影响图3 腔损耗对色散波衰减速率影响

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率光纤激光技术实验室在特殊波长的飞秒超快光纤激光器研制方向取得重要进展。该团队首次报道了一种基于色散管理、全保偏九字腔的978 nm飞秒掺镱光纤激光器。相关研究成果以Generation of 978 nm dispersion-managed solitons from a polarization-maintaining Yb-doped figure-of-9 fiber laser为题，发表在《光学快报》（Optics Letters）上。978 nm掺镱飞秒锁模光纤激光器因独特的应用价值而备受关注。然而，由于Yb3+在978 nm波长附近的吸收截面近似等于发射截面，为了在这个波长获得高性能激光输出，必须克服978 nm处的激光自吸收和1030 nm附近的放大自发辐射（ASE）等问题。此外，Yb3+在978 nm附近的增益带宽相对较窄，这进一步增加了在该波长下获得飞秒激光脉冲的难度。因此，与1 μm以上的传统掺镱锁模光纤激光器相比，实现这种978 nm的飞秒光纤激光器面临着更大挑战。针对上述问题，研究团队采用基于九字腔结构的非线性放大环镜（NALM）技术实现了978 nm处色散管理孤子的稳定输出。实验中，通过控制激光腔内各色散元件的参数有效地管理了腔内总色散，并引入滤波器来抑制1030 nm的ASE，最终获得了具有14.4 nm光谱带宽和175 fs的高相干激光脉冲。此外，激光腔由全保偏光纤器件组成，能够有效抗温度、震动等环境扰动，确保了锁模脉冲的长期稳定性。数值模拟结果表明，978 nm色散管理孤子的光谱宽度主要受限于Yb3+在相关波长附近的增益带宽。未来，可以利用非线性效应在腔外进一步展宽光谱，从而在这个特殊波长实现更窄脉宽的激光输出。该研究实现的978 nm锁模脉冲是迄今为止报道的相关波长超快光纤激光器中能够输出的最短脉冲，在水下通信和太赫兹波产生等领域具有良好的应用前景。图1.978 nm九字腔色散管理孤子光纤激光器实验装置图图2. 978 nm九字腔光纤激光器输出脉冲参数。（a）光谱，（b）脉冲序列，（c）射频谱，（d）自相关信号，（e） 腔外压缩后的频谱和（f）自相关信号。图3. 数值模拟结果。（a、b）输出色散管理孤子的光谱和时间特性；（c、d）腔内脉冲的时频演化过程。

记者从近日在江苏泰州举行的中国石墨烯标准化论坛上获悉，泰州巨纳新能源有限公司研制的世界首台商用石墨烯飞秒光纤激光器Fiphene问世，同时创造了脉冲宽度最短(105fs)和峰值功率最高(70kW)两项石墨烯飞秒光纤激光器世界纪录。 　　飞秒光纤激光器的应用领域非常广阔，包括激光成像、全息光谱及超快光子学等科研应用，以及激光材料精细加工、激光医疗(如眼科手术)、激光雷达等领域。传统的飞秒光纤激光器核心器件&mdash &mdash 半导体饱和吸收镜(SESAM)采用半导体生长工艺制备，成本很高，且技术由国外垄断。 　　在飞秒光纤激光器领域，石墨烯被认为是取代SESAM的最佳材料。2010年诺贝尔物理学奖获得者撰文预测石墨烯飞秒光纤激光器有望在2018年左右产业化。要实现真正的产业化，需要解决高质量石墨烯制备、大规模低成本石墨烯转移、石墨烯与光场强相互作用、石墨烯饱和吸收体封装以及激光功率稳定控制等一系列关键技术。泰州巨纳新能源有限公司经过多年持续研究，成功攻克了这些关键技术，率先实现了石墨烯飞秒光纤激光器的产品化，主要性能指标均高于同类产品，具有很高的性价比和很强的市场竞争能力。 　　该产品被命名为Fiphene，取Fiber(光纤)和Graphene(石墨烯)两个词的组合。泰州巨纳新能源有限公司计划以Fiphene为平台，推出更多石墨烯光纤激光器产品，将石墨烯的应用发展向前推进。

p 　　超短脉冲激光具有峰值功率高、作用时间短、光谱宽等优点，在基础科学、医疗、航空航天、量子通信、军事等领域有着广泛的应用。特别是近年快速发展的飞秒光纤激光器由于结构简单、成本低、稳定性高以及便于携带等特点，表现出越来越广泛的应用前景。目前光纤锁模激光器，包括其它类型的固体激光器，要实现稳定的锁模运行，更多时候还得依靠可饱和吸收体，但由于可饱和吸收体所带来的激光损伤及损耗等问题，不仅制约着所能产生的激光脉宽与功率，也会影响到长期运行的可靠性。因此研究发展具有高损伤阈值及低损耗的新型可饱和吸收体，倍受激光专家及材料专家的关注。近十多年来，随着凝聚态物理与材料制备技术的发展，碳纳米管、石墨烯、拓扑绝缘体等材料作为可饱和吸收材料相继成功地应用于激光锁模中，特别是新发展起来的二维纳米材料由于具备窄带隙、超快电子弛豫时间和高损伤阈值等特点，表现出优良的可饱和吸收特性，利用该材料的锁模激光研究也成为人们广泛关注的热点研究内容之一。 /p p 　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)光物理重点实验室L07组一直致力于超快激光的研究，近年来针对小型化飞秒激光的发展，先后实现了多类晶体及光纤激光的可饱和吸收被动锁模。通过使用脉冲激光沉积方法将锑化碲拓扑绝缘体材料均匀生长在拉锥光纤的表面所形成的可饱和吸收体，首次实现了光纤激光的混合锁模，得到了70 fs的输出脉冲结果。通过使用具备超短电子弛豫时间的二硫化钨作为可饱和吸收材料，结合减小拉锥光纤的纤芯直径，得到了67 fs锁模脉冲输出，验证了该混合锁模光纤激光具有脉宽更短、定时抖动更低等优点。此外针对暗孤子产生技术的限制，通过理论计算Ginzburg- Landau方程中光纤激光器的增益、损耗、色散和非线性等参数的关系，理论分析了暗孤子脉冲形成的动力学机制，获得了信噪比高达94 dB的结果，实验上实现了最宽光谱的暗孤子脉冲输出。 /p p 　　最近该研究组与北京邮电大学合作，将二硫化钨作为饱和吸收材料用于光纤激光锁模，进一步实现了脉宽246 fs的锁模脉冲激光输出，据知这是迄今为止过渡金属硫化物全光纤锁模激光器所产生的最短脉宽报道。相关结果发表在新出版的一期Nanoscale(2017, 9: 5806)上，并被该杂志选为Highlights进展作为Inside front cover论文刊出(如图所示)，论文第一作者为刘文军，通讯作者为北京邮电大学教授雷鸣及中科院物理所研究员魏志义。 /p p 　　该项研究获得了科技部“973”项目(2012CB821304)及国家自然科学基金项目(批准号11674036, 11078022 和 61378040)的支持。 /p p 　　相关论文： /p p 　　[1] Wenjun Liu, Lihui Pang, Hainian Han, Wenlong Tian, Hao Chen, Ming Lei, Peiguang Yan and Zhiyi Wei, 70 fs mode-locked erbium doped fiber laser with topological insulator, Scientific Reports, 6 (2016) 19997. /p p 　　[2] Wenjun Liu, Lihui Pang, Hainian Han, Mengli Liu, Ming Lei, Shaobo Fang, Hao Teng and Zhiyi Wei, Tungsten disulfide saturable absorbers for 67 fs mode-locked erbium-doped fiber lasers, Optics Express, 25 (2017) 2950-2959. /p p 　　[3] Wenjun Liu, Lihui Pang, Hainian Han, Wenlong Tian, Hao Chen, Ming Lei, Peiguang Yan and Zhiyi Wei, Generation of dark solitons in erbium-doped fiber lasers based Sb2Te3 saturable absorbers, Optics Express, 23 (2015) 26023-26031. /p p 　　[4] Wenjun Liu, Lihui Pang, Hainian Han, Zhongwei Shen, Ming Lei, Hao Teng and Zhiyi Wei, Dark solitons in WS2 erbium-doped fiber lasers, Photonics Research, 4 (2016) 111-114. /p p 　　[5] Wenjun Liu, Lihui Pang, Hainian Han, Ke Bi, Ming Lei and Zhiyi Wei, Tungsten disulphide for ultrashort pulse generation in all-fiber lasers, Nanoscale, 9 (2017) 5806-5811. /p p style=" text-align: center " img width=" 300" height=" 395" title=" W020170616579709764036.png" style=" width: 300px height: 395px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/noimg/9d1831a1-51e9-41cb-a069-261a0f0bc4cb.jpg" border=" 0" vspace=" 0" hspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " 图：Nanoscale(2017, 9: 5806)论文被选为该期Inside front cover论文刊出 /p p /p p /p

p 　　由山东海富光子科技股份有限公司牵头承担的国家重点研发计划重大科学仪器设备开发重点专项“高功率窄线宽光纤激光器”项目经过近两年的努力，突破了半导体增益芯片设计制备与高效封装耦合、玻璃光纤制备中新型热熔键合及高浓度均匀掺杂、窄线宽光纤激光放大器非线性效应抑制等关键技术，开发出高功率窄线宽光纤激光器样机。近日，项目通过了科技部高技术中心组织的中期检查。 /p p 　　高功率窄线宽光纤激光器兼备高峰值功率及窄线宽特性，同时采用全光纤结构，是激光精密测量、激光测距和遥测等重大科学仪器的关键核心部件之一。目前国内高功率窄线宽光纤激光器主要依赖国外进口，国内还不能实现产品级整机供货。项目通过采用非对称光栅的脊波导和大光腔的锥形增益结构，优化光栅结构参数减少激光器的线宽值，开发出高可靠性窄线宽脉冲激光种子源 研究了高倍率低噪声光放大、窄线宽光纤激光器中的SBS抑制、SPM补偿和模式控制等关键技术，获得高功率窄线宽光纤激光输出 开发了可工程化应用的高功率窄线宽光纤激光器 开展了激光雷达遥感的应用示范研究和产业化推广。 /p p 　　该项目下一步将加强仪器可靠性的整体设计，加快可靠性试验验证，提高产品稳定性 进一步加快应用示范的进度及工程化实施。 /p

据最新一期《光学》杂志发表的一项研究，瑞士苏黎世联邦理工学院科学家研制出一款新型激光振荡器，其产生的激光在平均功率和强度方面，均创造了此类激光脉冲新纪录。其平均功率高达550瓦，超出此前纪录50%以上。此次激光脉冲的持续时间不足1皮秒，且能以每秒500万个脉冲的超高速度，有序从激光器中射出。这些超强且“寿命”超短的激光脉冲可用于材料加工、眼科手术、精密测量等诸多领域，也有望催生更精确的原子钟。中国科学院物理研究所研究员、博士生导师魏志义对科技日报记者解释道，为制造出这些超短强激光脉冲，团队使用了“碟片”激光振荡器。该振荡器的核心部件是一个厚度仅100微米的薄碟片，其由掺杂镱原子的晶体构成。最新研究基于两项技术创新：首先是利用反射镜的独特排列方式放大激光腔内的振荡光。为此，研究团队巧妙设计出一种特殊的反射镜阵列，使光在激光腔内循环往返多次放大。随后，为将这些放大光转化为高强度的超短脉冲，团队使用了“半导体饱和吸收镜（SESAM）”。与普通反射镜不同，SESAM的反射率会随着光的强度而变化。当光的强度超过某个阈值时，SESAM能够高效地反射这些光，使激光从连续模式切换到脉冲模式。团队期待能进一步将该脉冲压缩到少周期范围，这对于产生阿秒脉冲至关重要。阿秒级脉冲可帮助科学家更深入地观察物质内部的超快物理现象，进一步揭示微观世界隐藏的奥秘。

成果名称 基于光纤激光器的可见光频率梳、20GHz可见光波段天文光学频率梳 单位名称 北京大学 联系人 马靖 联系邮箱 mj@labpku.com 成果成熟度 □研发阶段 □原理样机 &radic 通过小试 □通过中试 □可以量产 成果简介： 光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器，例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、引力波的测量、微重力的测量、系外类地行星的探测等。利用频率梳测量频率时，需要频率梳的频率间隔在200MHz以上，以便波长计数器计量波数。特别地，类地行星观测需要20GHz以上频率间隔的频率梳来定标光谱仪，这个频率间隔一般的光纤激光器无法达到，目前只能依靠法布里-珀罗（FP）滤波装置进行频率倍增。由于FP透射光谱的有限线宽会导致边模泄露，从而影响天文光谱仪的定标精度，因此需要源激光频率梳本身的频率间隔尽量大，以抑制边模。可见，研制高重复频率（大频率间隔）的频率梳已经成为国际激光器和频率梳领域研究的热点和难点。目前该产品的国内市场基本上被德国Menlo System公司生产的基于掺镱光纤激光器的可见光域频率梳垄断，我国亟需研制出具有自主知识产权的光梳设备。 2011年，北京大学信息学院张志刚教授申请的&ldquo 基于光纤激光器的可见光频率梳&rdquo 得到第三期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在基金经费支持下，通过关键配件的购置和加工，该项研究得以顺利开展。课题组瞄准研制稳定的、可供频率测量的、基于飞秒光纤激光器的可见光域激光频率梳这一目标，开展了一系列富有成效的工作，包括：（1）搭建高重复频率、1um波长的锁模光纤激光器，作为频率梳&ldquo 种子源&rdquo ；（2）研究初始频率和腔内色散的关系，以得到更高信噪比的初始频率信号；（3）利用合适的色散补偿元件对种子源输出的脉冲进行色散补偿，并进行多级反向放大，使其输出功率满足频率梳要求；（4）试验多种光子晶体光纤，以获得更宽的、覆盖可见光域的光谱。通过以上工作的开展，课题组成功研制出了国际首创的500MHz光学频率梳样机，而Menlo公司同类产品重复频率仅为250M。这一技术的产品化将打破外国公司在国内市场的垄断，填补国内外市场的空白。 在第三期项目工作的基础上，张志刚课题组的王爱民副教授申请的&ldquo 20GHz可见光波段天文光学频率梳的研制&rdquo 项目在2012年得到了第四期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在第四期基金的支持下，项目组发展了前期500MHz高重复频率的光学频率梳的研究成果，开展了更加深入的工作，包括：（1）利用FP技术对500MHz重复频率的稳定光梳进行倍频，获得20GHz、1m波段的稳定光学频率梳；（2）对20GHz光学频率梳进行功率放大、脉冲压缩和倍频，实现515nm波段的蓝光飞秒光梳源；（3）利用拉锥光子晶体光纤对飞秒蓝光光梳进行可见光扩谱，达到400-750nm的光谱覆盖。通过这些工作，课题组成功研制出了一套可直接与天文望远镜对接的20G天文光梳频率标准系统，其工作达到该领域国际前沿水平。 这两期项目目前已经结题，其成果已进入产品化阶段，科技转化前景良好。相关成果受到了北京市科委的高度重视。 课题组瞄准研制稳定的、可供频率测量的、基于飞秒光纤激光器的可见光域激光频率梳这一目标，开展了一系列富有成效的工作。课题组成功研制出了一套可直接与天文望远镜对接的20G天文光梳频率标准系统，其工作达到该领域国际前沿水平。 应用前景： 光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器，例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、引力波的测量、微重力的测量、系外类地行星的探测等。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所邵建达研究员、晋云霞研究员团队和张江实验室李朝阳研究员在超宽带脉冲压缩光栅领域取得突破性进展。研究团队针对单周期脉冲压缩需求，成功研制超400 nm宽带金光栅，其在750-1150 nm 的波长范围内衍射效率大于90%，比现役金光栅带宽提升近一倍，并且其研制口径可进一步推向米量级。相关成果以“400nm ultra-broadband gratings for near-single-cycle 100 Petawatt lasers”为题发表于《自然-通讯》。　　拍瓦激光器的脉冲宽度从目前10-20个周期压缩到单周期(3.3 fs)结合大能量的载入被认为是实现艾瓦激光的未来。研究团队长期深耕于宽带高阈值脉冲压缩光栅领域。在本项工作进展中，超宽带金光栅的仿真设计取得突破，引入方位角扩展了设计和应用自由度 实验上掌握了光栅槽形演化规律，发明了大底宽小尖角金光栅技术(专利号：CN114879293B)，成功研制1443 g/mm和1527 g/mm超400 nm宽带金光栅。如此宽带和高阈值(优于0.3J/cm2)的超宽带光栅将在宽角非共线光参量啁啾脉冲放大系统【WNOPCPA，Laser Photonics Rev 17, 2100705(2022). https://doi.org/10.1002/lpor.202100705】中发挥关键性作用，理论计算证明其足以支撑 4 fs 脉冲压缩，可将实现百拍瓦需要的光栅口径从米级缩减至半米级。　　啁啾脉冲放大(CPA)及其衍生技术推动激光峰值功率从太瓦推向10PW量级，脉冲压缩器已成为高功率超强超短激光装置的核心模块。受限于大口径、宽光谱、高阈值压缩光栅的单路负载能力，中、欧、美、俄、韩等国均已部署多路相干合成100 PW乃至艾瓦量级的激光设施建设。除此外，单周期(3.3fs)脉冲也是产生艾瓦级激光的重要策略之一。近些年来，WNOPCPA等技术能够在工程上支撑增益介质的带宽拓展至 400 nm，从而支撑 3-6 fs的傅里叶变换极限脉冲。支持单周期脉冲展宽和压缩的超宽带光栅是实现单周期艾瓦激光的一个核心技术难题。目前，团队正将超宽带光栅的口径推向米级，并将其应用于单周期艾瓦激光的原理样机。　　研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、科技部、上海市战略新兴产业项目的支持。

【研究背景】快速发展的自由电子激光（FEL）技术在高光子能量下产生了飞秒甚至阿秒的脉冲，使得X射线能够用于状态选择性和相敏多维光谱分析和相干控制。直接和常规测量现有的极紫外（XUV）和X射线自由电子激光脉冲的光谱相位是充分实现这种非线性相干控制概念的关键，以便为它们与物质的相互作用找到和设置最佳的脉冲参数。自放大自发辐射XUV/X射线自由电子激光脉冲的直接时间诊断工具是线性和角度条纹法，它对脉冲的时间形状（包括啁啾）非常敏感。这些方法依赖于一个时间同步且足够强的外场的可用性。诊断SASE辐射脉冲的时间结构的一个补充途径是测量电子束中FEL激光诱导的能量损失（例如使用X波段射频横向偏转腔（XTCAV）），从中可以重建XUV/X射线发射的时间剖面。对于种子自由电子激光脉冲，两个几乎相同的自由电子激光脉冲的产生及其XUV干涉图的评估允许其光谱时间内容的完整表征。在这项工作中，科学家提出了一种直接测量XUV-FEL频率啁啾的技术，而不依赖于任何额外的外场或种子多脉冲方案。由于所报道的技术提供了对XUV辐射光谱时间分布的目标访问，它是对FEL激光性能敏感的用户实验的原位诊断的理想方法。例如，在这里，我们实验观察到频率啁啾对自由电子激光脉冲能量的系统依赖性（增加啁啾以减少脉冲能量）。【成果简介】由最先进的自由电子激光器（FELs）产生的极紫外（XUV）和X射线光子能量的高强度超短脉冲正在给超快光谱学领域带来革命性的变化。为了跨越下一个研究前沿，精确、可靠和实用的光子工具对脉冲的光谱-时间特性的描述变得越来越重要。科学家提出了一种基于基本非线性光学的极紫外自由电子激光脉冲频率啁啾的直接测量方法。它在XUV纯泵浦探针瞬态吸收几何结构中实现，提供了自由电子激光脉冲时能结构的原位信息。利用电离氖靶吸光度随时间变化的速率方程模型，给出了直接从测量数据中提取和量化频率啁啾的方法。由于该方法不依赖于额外的外场，我们期望通过对FEL脉冲特性的原位测量和优化，在FEL中得到广泛的应用，从而使多个科学领域受益。【图文导读】图1：频率分辨等离子体选通原理图2：等离子体选通效应的数值模拟图3：通过瞬态吸收光谱测量XUV-FEL频率啁啾图4：频率啁啾特性，自由电子激光脉冲能量依赖性分析图5：色散对部分相干自由电子激光场的影响原文链接：Measuring the frequency chirp of extreme-ultraviolet free-electron laser pulses by transient absorption spectroscopy | Nature Communications

北京时间10月3日17时50分许，在瑞典首都斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院宣布，将2023年诺贝尔物理学奖授予美国俄亥俄州立大学名誉教授皮埃尔阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、匈牙利-奥地利物理学家费伦茨克劳斯（Ferenc Krausz）和瑞典隆德大学教授安妮呂利耶（Anne L’Huillier），以表彰他们在阿秒光脉冲方面所做出的贡献。2023年每项诺贝尔奖的奖金也由去年的1000万瑞典克朗，增加到1100万瑞典克朗，约合人民币720万元。“阿秒”是时间单位，即10-18秒。按照时间长短划分，从秒开始依次是毫秒(10-3秒)、微秒(10-6秒)、纳秒(10-9秒)、皮秒(10-12秒)、飞秒(10-15秒)、阿秒(10-18秒)。而“阿秒光脉冲”就是指持续时间在阿秒量级的光脉冲。如此短的脉冲持续时间也为其带来了重要的应用。对此，诺贝尔奖给出的获奖理由如下：获奖理由：三位2023年诺贝尔物理学奖获得者因其实验而获得认可，这些实验为人类探索原子和分子内部的电子世界提供了新的工具。Pierre Agostini、Ferenc Krausz和Anne L’Huillier已经证明了一种制造超短光脉冲的方法，可以用来测量电子移动或改变能量的快速过程。当人类感知到快速移动的事件时，它们会相互碰撞，就像一部由静止图像组成的电影被感知为连续的运动一样。如果我们想调查真正短暂的事件，我们需要特殊的技术。在电子的世界里，变化发生在十分之几阿秒——阿秒如此之短，以至于一秒钟内的变化与宇宙诞生以来的秒数一样多。获奖者的实验产生了短到以阿秒为单位测量的光脉冲，从而证明这些脉冲可以用来提供原子和分子内部过程的图像。1987年，Anne L’Huillier发现，当她将红外激光传输通过稀有气体时，会产生许多不同的光泛音。每个泛音是激光中每个周期具有给定周期数的光波。它们是由激光与气体中的原子相互作用引起的；它给一些电子额外的能量，然后以光的形式发射出去。Anne L’Huillier继续探索这一现象，为随后的突破奠定了基础。2001年，Pierre Agostini成功地产生并研究了一系列连续的光脉冲，其中每个脉冲只持续250阿秒。与此同时，Ferenc Krausz正在进行另一种类型的实验，这种实验可以分离出持续650阿秒的单个光脉冲。获奖者的贡献使人们能够对以前无法遵循的快速过程进行调查。诺贝尔物理学委员会主席伊娃奥尔森表示：“我们现在可以打开电子世界的大门。阿秒物理学让我们有机会了解电子控制的机制。下一步将利用它们。”。在许多不同的领域都有潜在的应用。例如，在电子学中，理解和控制电子在材料中的行为很重要。阿秒脉冲也可以用于识别不同的分子，例如在医学诊断中。魏志义：我国激光产业发展迅速，未来可期实际上我国也一直在阿秒激光领域深耕，培养了一批杰出的科研人员。当前国内研究超快激光和阿秒激光的主要代表人物是来自中国科学院物理研究所的魏志义研究员，主要研究领域为超短超强激光物理与技术，包括飞秒激光放大的新原理与新技术、阿秒激光物理与技术、光学频率梳及应用等。魏志义研究员长期致力于超短脉冲激光技术与应用研究，主要成果有：提出了高对比度放大飞秒激光的一种新方法，得到同类研究当时国际最高峰值功率的PW（1015瓦）超强激光输出，创造了新的世界纪录；发明了同步不同飞秒激光的新方案，研制成功综合性能国际领先的同步飞秒激光器；建成国内首个阿秒（10-18秒）激光装置，得到了脉冲宽度小于200阿秒的极紫外激光脉冲；发展了新的光学频率梳技术，研制成功综合性能先进的系列飞秒激光频率梳；利用新的脉冲压缩技术与国外同事一起获得了亚5fs的激光脉冲，打破了保持10年之久的超短激光脉冲世界纪录；研制成功系列二极管激光直接泵浦的新型全固态超短脉冲激光，开发成功多种飞秒激光产品并提供国内外多家用户。仪器信息网在世界光子大会上有幸采访了魏志义研究员。魏志义表示，超快激光（即超短脉冲激光）领域激光领域前沿研究主要关注如何实现越来越窄的激光脉冲宽度，窄的激光脉冲可以用于物质中分子、原子甚至电子的运动过程研究，因为运动过程决定了物质的一些规律和属性。科研人员关注的另一方面是激光功率，更高功率的激光可能用于武器、加工、医疗等领域。功率方面的研究主要包括峰值功率和平均功率，其中峰值功率研究我国处于世界前列。魏志义在采访中表示其对高频功率非常关注和感兴趣。谈到国内在相关领域的前沿研究进展时，魏志义表示，我国在激光领域具有比较好的基础，与国外水平接近，虽然在整体上还有较大差距,但在部分领域有所领先。在超快脉冲激光方面，我国上世纪八九十年代与国际水平差距并不大，如西安光机所、天津大学、中山大学做得都非常不错。当前超快激光脉冲突破到阿秒量级，国内包括物理所在内的一些单位也拥有产生阿秒脉冲激光的能力，可以用来开展研究工作。在激光高频功率方面，上海光机所等单位在峰值功率研究上已达国际领先水平，并将国际水平推向了新的高度。据介绍，物理所十多年前在峰值功率方面取得了很好的研究成果，做到了当时国内最好也是国际上最高的的峰值功率。但在高频功率方面我国还是与国外有较大差距，特别是在产业方面。魏志义建议，接下来不仅要在极端指标方面，还要在可靠稳定性、高频功率方面做出突破，更好的提供给广大用户开展应用工作。魏志义也强调，我国当前在超快激光研究方面有些落后，但也在奋起直追，跟国际最高水平相比有一定差距，在高频物理方面，工业应用方面差距更大。但同时，魏志义表示这些年我国激光产业发展非常迅速，未来可期。

经由一根绣花针粗细的光纤，释放出的激光能量可焊接飞机、轮船。记者22日从武汉市获悉，我国首台万瓦连续光纤激光器在光谷问世，中国成为继美国后第二个掌握此技术的国家。 　　记者在武汉锐科研发中心看到，这台激光器虽然只有约两台冰柜叠加大小，它肚子里却藏着10块“能量方”，每块1100瓦，各产生一条激光束，10条激光束再汇聚到一根光纤，形成合力，最终产生1万瓦的强大能量。这项激光功率合束技术，被美国视为万瓦激光器的核心机密。 　　据悉，为打破垄断，两位国家“千人计划”专家闫大鹏、李成率队，历时一年研发攻关，终于掌握该技术的自主知识产权。 　　据了解，在国际上，光纤激光器越来越广泛应用于工业造船、汽车制造、航空航天、军事设备等领域。与传统二氧化碳激光器相比，它的耗电仅为其1/5，体积只有其1/10，但速度快4倍，转换效率高20%，还没有污染。 　　中国光学学会理事长、中国科学院院士周炳琨认为，过去，我国核心激光器件主要依赖进口，如今取得这一技术国际领先，对我国工业发展将产生巨大推动。 　　据透露，该技术已纳入明年的国家863计划。闫大鹏表示，年内有信心冲刺2万瓦技术，实现产值1.6亿元。

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术实验室胡丽丽研究团队在超短脉冲大模场多组分玻璃光纤放大器方面取得重要进展。相关研究成果于5月在线发表于《中国激光》。 　　大能量、高峰值功率超短脉冲激光在远距离激光雷达、地震探测、主动照明等领域具有重要应用价值。主振荡脉冲放大系统(MOPA)是超短脉冲激光的主要运行方式，其中有源增益光纤是关键核心部件。目前，传统有源石英光纤存在稀土离子溶解度有限、难以保证低数值孔径(NA)纤芯制备的均匀性等问题，导致其使用长度较长(数米)，纤芯直径通常小于40μm，具有较低的非线性阈值，进而限制其输出的脉冲能量。相比之下，多组分氧化物玻璃具有稀土掺杂浓度高、光学均匀性好等优势，能够获得模场面积大、吸收系数高的大模场增益光纤，从而大幅提升大能量脉冲放大的非线性阈值。 　　然而，大模场光纤的制备难点在于降低数值孔径的同时保持极高的均匀性。例如，要实现NA为0.03的单模掺Yb光纤，则需要纤芯与包层玻璃的折射率差值小于3×10-4，这要求玻璃本身的光学均匀性达到10-5量级。 　　研究团队从大尺寸、高光学均匀性磷酸盐激光玻璃的制备工艺出发，采用光学均匀性约为1×10-6的高掺Yb磷酸盐玻璃作为光纤基质，在自研高掺Yb大模场磷酸盐光纤中实现了平均功率27.3W的脉冲激光放大输出。该系统采用掺Yb大模场磷酸盐双包层光纤(30/135/280μm)与匹配无源石英光纤(20/130μm)异质熔接的全光纤方案(熔点损耗为0.3 dB)，结构如图1所示。其中，信号光波长为1030nm、脉宽为30ps、重复频率为27MHz，掺Yb磷酸盐光纤的纤芯和内包层的NA分别为0.03和0.41，纤芯中Yb2O3质量分数为6%，背景损耗为0.61300nm，使用长度为30cm；采用976 nm包层泵浦，获得放大后脉冲激光的平均功率如图2所示，最大输出平均功率为27.3W，斜率效率为71.4%，同时未观察到受激布里渊散射等非线性效应。该结果体现出了磷酸盐玻璃在高掺杂能力、高光学均匀性以及高非线性阈值的优势。图 1. 掺Yb磷酸盐大模场光纤脉冲激光放大器结构图 　　Fig. 1. Structural diagram of pulsed laser amplifier using Yb-doped large-mode-area phosphate fiber图 2. 放大的脉冲激光的平均功率随泵浦功率的变化，插图是输出激光的光斑和光谱 　　Fig. 2. Average power of amplified pulsed laser versus pump power with spot and spectrum of output laser shown in inset

中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光技术与应用系统实验室李建郎研究员课题组“径向偏振光纤激光器”研究工作近日取得突破性进展。该研究组从掺镱光纤激光器中获得2.42瓦高效率、高偏振纯度和高轴对称性的径向偏振激光输出，创造了目前径向偏振光纤激光器研究的最高纪录。 　　径向偏振光束在离子捕获、生物光镊、高分辨率显微镜技术、电子加速以及高效率高精度金属材料加工等领域有着非常重要的应用，通过固体、气体激光器的输出来直接产生该种光束已经成为国际研究热点领域之一。2006年李建郎等人首次提出利用稀土掺杂的多模光纤作为增益介质来直接输出径向偏振激光的概念，并在掺镱光纤激光器实验中获得了近40毫瓦的径向偏振激光输出(Opt. Lett., 31, 2969, 2006 Opt. Lett., 32, 1360, 2007 Laser Phys. Lett., 4, 814 2007)。继该研究领域被开拓后，以色列魏兹曼研究所(Weizmann Institute of Science, Israel)、美国代顿大学(Dayton University, USA)等研究机构的科学家相继通过努力在掺铒光纤激光器中实现了140毫瓦(斜坡效率约为3%) 的径向偏振激光输出(Appl. Phys. Lett., 93, 191104, 2008 Appl. Phys. Lett., 95, 191111, 2009)。在这些前期研究中，由于寄生振荡等因素的干扰，激光器效率和功率很低，并且存在偏振纯度低以及光束轴对称性差等关键性缺陷，限制了径向偏振光纤激光器技术的进一步实用化。 　　该课题组李建郎、林迪等经过约一年时间的奋斗摸索，在实验中采用光纤耦合的976nm二极管激光器从端面泵浦1.8米长的多模掺镱双包层光纤。该增益光纤具有低V参量，仅支持光纤基模以及其邻阶模(其中包括TM01模，即径向偏振模)传输。同时增益光纤的一个端面被切成8o斜角以抑制光纤端面之间的寄生振荡。实验采用具有径向偏振选择性的光子晶体光栅镜做为激光器的输出耦合器。实验测得激光器阈值泵浦功率为0.9W，在最大泵浦功率7W 时输出功率达到2.42W，光—光效率为35%(对应的斜坡效率43.8%)，激光器波长为1050nm。激光器输出圆环形光斑，且为径向偏振，偏振纯度为96%。 　　此结果目前已远优于其他国际同行的工作。该研究首次实验证明了径向偏振光纤激光器完全可以达到与同类的固体激光器相比拟的性能指标，从而基本消除了困扰径向偏振光纤激光器发展及应用的技术障碍。

光纤激光器被称为第三代激光器，其中“高性能稀土掺杂石英光纤”作为光纤激光器的“心脏”被列入国家战略性先进电子材料。其制备技术和产品长期被国外垄断，成为制约中国高功率光纤激光器发展的“卡脖子”元件。 　　从本世纪初，为解决我国高功率光纤激光器的稀土掺杂激光光纤“卡脖子”难题，为追赶我国在稀土掺杂激光光纤方面与国际先进水平差距，单元技术实验室胡丽丽研究员组织研究团队开展光纤研制工作和平台建设，创建了溶胶凝胶结合高温烧结制备稀土掺杂石英玻璃的新方法，阐明了稀土离子掺杂石英玻璃的发光、光学性能与局域结构的关联，并建立了相互作用的结构模型。提出了MCVD结合纳米溶胶液浸泡制备高掺杂离子分散性光纤预制棒的新思路，全面攻克了万瓦级光纤高效、高稳定性及高可靠性的技术难题，批量研制的光纤在GF和工业领域实现近万台套的规模应用。2011年以来胡丽丽研究员带领激光光纤研究团队持续开展稀土掺杂石英玻璃结构与性能的基础研究、大模场掺镱光子晶体光纤、大模场高功率包层结构稀土掺杂石英光纤、耐辐照稀土掺杂石英光纤等的研制，打破了国外对我国高功率激光光纤的垄断，解决了我国高功率光纤激光器关键元件国产化“卡脖子”问题。满足了高功率光纤激光器对核心元件的重大需求，为我国实现高功率光纤激光器最强“心脏”自主可控做出了重要贡献。 　　近十年来，胡丽丽研究员带领团队不断探索和总结，撰写了《稀土掺杂石英光纤及应用》著作，由上海科学技术出版社出版，并面向国内外发行。该著作获2022年度国家科学技术学术著作出版基金资助出版，获评2023年2月榜“世纪好书”。 　　作为第一完成人和突出贡献者，胡丽丽研究员获2016年上海市技术发明奖特等奖一项、2017年国家技术发明奖二等奖一项、2022年中国科学院杰出科技成就奖一项，获“全国三八红旗手”“上海市第十六届十大科技精英”等荣誉称号。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心冯衍研究员领衔的课题组，在高功率拉曼光纤激光器研究中取得新进展。提出了一种镱-拉曼集成的光纤放大器结构，有效地解决了拉曼光纤激光器功率提升的主要技术瓶颈问题，在1120nm波长，首次获得580W的单横模线偏振拉曼光纤激光和1.3kW的近单模拉曼光纤激光输出。 　　近年来，高功率光纤激光器发展迅速。1&mu m波段的掺镱光纤激光器，近衍射极限输出功率可达20kW，多横模输出功率可达100kW。尽管如此，稀土掺杂光纤激光器的输出波长，因稀土离子能级跃迁的限制，仅能覆盖有限的光谱范围，限制了其应用领域。基于光纤中受激拉曼散射效应的拉曼光纤激光器是拓展光纤激光器波长范围的有效手段。 　　该项研究中，在一般的高功率掺镱光纤放大器中注入两个或多个波长的种子激光，波长间隔对应光纤的拉曼频移量。处于镱离子增益带宽中心的种子激光率先获得放大后，在后续光纤中作为泵浦激光对拉曼斯托克斯激光进行逐级放大。初步的演示实验获得了300 W的1120nm拉曼光纤激光输出 接着采用较大包层(400&mu m)的光纤，获得了580W的单横模线偏振拉曼光纤激光和1.3kW的近单模拉曼光纤激光输出。结果发表于《光学快报》(Optics Letters)和《光学快讯》(Optics Express) [Opt. Lett. 39, 1933-1936 (2014) Opt. Express 22, 18483 (2014)]。鉴于目前高功率掺镱光纤激光器均采用主振放大结构，新提出的光纤放大器结构可用于进一步提升拉曼光纤激光的输出功率。初步的数值计算也表明，该技术方法有望在1～2&mu m范围内任意波长获得千瓦级激光输出。 　　该项研究得到了中国科学院百人计划、国家&ldquo 863&rdquo 计划、国家自然科学基金等项目的支持。 　　 千瓦级掺镱-拉曼集成的光纤放大器结构示意图 　　 输出功率随976 nm二极管泵浦功率的变化曲线，其中的插图为最高输出时的光谱。

近日，柏林的Max Born研究所、伦敦大学学院和匈牙利的ELI-ALPS研究所在共同参与的一个项目中，展示了一种利用阿秒激光爆发作为泵浦和探测脉冲的新型光谱学技术。据介绍，在正常运行的光谱学平台上使用这种短脉冲有助于研究复杂的光学过程，而该项目则主要是利用它来研究原子的非线性多光子电离过程。近日，相关成果发表在光学和光子学专业期刊Optica上。飞秒(1飞秒= 10-15秒)泵浦探针光谱技术彻底改变了人们对极快过程的理解。例如，如果一个分子的解离是由飞秒泵脉冲引发的，它可以使用延时飞秒探针脉冲来实时进行观察，捕捉分子的演化状态，从而得到记录分子解离细节过程的动态图像。1999年，这项强大的技术甚至被授予了诺贝尔化学奖。然而，自然界中的一些过程甚至更快，并且发生在阿秒的时间尺度上(1阿秒= 10-18秒)。到目前为止，阿秒泵浦阿秒探针光谱学已经被证明用于涉及两个光子吸收的相对简单的过程。然而，由于全阿秒泵浦-探测光谱非常具有挑战性，目前大多数得到实际应用的方法只使用一个阿秒脉冲泵（或探针），而另一个步骤则会使用飞秒脉冲。而在最新进展中，研究人员成功演示了一个泵-探针实验。在这个实验中，复杂的多光子电离过程使用了两个阿秒脉冲序列。这个实验需要产生非常强的阿秒脉冲，为此需要使用一个大型激光系统。同时，两个阿秒脉冲必须与阿秒时间和纳米空间稳定性重叠。考虑到这样大的挑战性，研究人员选择在马克斯波恩研究所（Max Born Institute）最大的实验室进行了上述这项实验。“原子和分子中的多电子动力学经常在亚秒至几飞秒的时间尺度上发生，”发表在Optica杂志上的论文中指出，“以前极端紫外(XUV)光子阿秒脉冲的可用强度允许对双光子、双电子相互作用进行时间分辨的研究。而最新的进展中，我们研究了氩原子的双电离和三电离，包括了多达5个XUV光子的吸收。”在以往的场景中，产生所需的强阿秒脉冲通常需要使用大型和强大的激光系统，幸而每个项目合作伙伴都在这一方面颇具优势。其中，极光基础设施阿秒光脉冲源（ELI-ALPS）研究中心正在开发一种价值600万欧元的激光器，旨在以1千赫兹的重复频率提供超过15太瓦的峰值功率，脉冲持续时间小于8飞秒。在新的研究中，两个阿秒脉冲串(APTs)与一个氩原子相互作用，吸收了四个光子，从而从原子中去除三个电子。根据该项目，有许多可能的方式来发生这种多光子吸收，要详细地找出电子是如何从原子中去除的，则需要改变两个阿秒脉冲之间的时间延迟，并观察产生了多少离子。结果表明，多光子吸收是分三步进行的：在前两步中，每一步都吸收一个光子；而在第三步中，两个光子同时被吸收。这些结果已经被计算机模拟所证实，并证明了强APTs的应用能够更好地理解复杂的多光子电离途径。据介绍，这项已开发的实验技术未来不仅可以用于研究原子中的复杂过程，还可以用于研究分子、固体和纳米结构。该项目还希望能进一步回答有关几个电子如何相互作用的问题，这有助于在最短的时间内理解最基本的过程。

西安光机所自2006年始，在中科院知识创新工程、国家自然基金的支持下，大功率光纤激光器的研究工作取得了快速发展，继2009年在国内首次实现全光纤激光输出功率突破1000W之后， 2010年，推出了第一代400瓦工业级全光纤激光器，该激光器实现了400瓦连续激光输出，得到业界的广泛关注，但第一代400瓦工业级全光纤激光器仅具备连续激光输出模式，且激光输出接口、通讯和控制接口也无法直接与工业应用接轨。 　　为了将该项科研成果快速应用于工业，服务于社会，经过1年多的技术攻关，2011年8月，西安光机所推出了第二代400W工业级光纤激光器，与第一代产品相比，该产品以市场需求为导向，在工作模式、红光导引、系统集成、通讯和控制接口等方面取得了较大的提升，实现了“插电出光”，可以直接应用于工业激光加工。 　　该产品输出功率连续可调，稳定性好，可靠性高，光、机、电、控制高度集成，具有连续和准连续两种工作模式，同时具备红光导引功能，可直接用于智能加工装备，易操作、免维护。 　　随着该项技术的快速发展，西安光机所已逐步具备了高功率光纤激光器的产业化能力，现已孵化出了西安久之光电有限公司，专业致力于高功率光纤激光器的研发与生产，以市场需求为牵引，为客户提供高性能光纤激光器和优质服务。 　　400瓦工业级光纤激光器

中国计量科学研究院超短脉冲激光测量研究取得突破性进展 　　我国飞秒脉冲激光参数准确度国际领先 　　日前，由中国计量科学研究院承担的国家“十一五”科技支撑课题“飞秒脉冲激光参数测量新技术研究”通过专家验收。该课题自主研制的飞秒脉冲自相关仪和飞秒脉冲光谱相位相干仪实现了飞秒脉冲激光参数的准确测量，课题组提出的飞秒脉冲光谱相位还原方法降低了传统方法的测量不确定度，将我国飞秒脉冲激光参数的准确度提高到国际领先水平。 　　飞秒是时间单位，1飞秒相当于10-15秒。它有多快呢?我们知道，光速是1秒钟30万公里，而在一飞秒内，光只能走0.3微米，相当于一根头发丝的1%。飞秒脉冲是人类目前在实验室条件下所能获得的在可见光至近红外波段的最短脉冲。它以其独具的持续时间极短、峰值功率极高、光谱宽度极宽等优点，在物理学、生物学、化学、光通讯、外科医疗、精细加工制造及超小器械制造等领域得到广泛的应用。如何准确地测量超短脉冲信息已成为飞秒脉冲研究领域迫切需要解决的难题。 　　该课题成功解决了这一技术难题，实现了超短脉冲时域参数的精确测量，对于超短脉冲的更深一步的研究和应用具有重要意义。多家国际同行研究单位引用课题组提出的新技术成功解决了超短脉冲研究和应用中存在的技术问题，极大地提升了我国在超短脉冲激光参数测量领域的国际地位。 　　据课题负责人邓玉强博士介绍，课题组在成功解决飞秒级超短脉冲参数测量的基础上，又展开了皮秒级超短脉冲测量的研究。皮秒脉冲处于纳秒脉冲和飞秒脉冲之间的带隙(1皮秒=10-12秒)，它的光谱相对较窄，难以使用测量飞秒脉冲的光谱干涉技术，而传统的自相关仪器又存在量程范围小，需要标定校准，测量准确度不高等诸多问题。为解决这些问题，课题团队又自主研发了一种新技术和装置，实现了亚十飞秒(10-14秒)至数百皮秒(10-10秒)宽度范围内超短脉冲的精确测量，能得到强度自相关和条纹分辨自相关两种结果。该装置可实现测量的自校准，不仅提高了皮秒级激光脉冲宽度的测量准确度，而且扩大了超短脉冲参数测量的量程，进一步提高了我国超短脉冲激光时域参数的测量能力。

1、前言随着半导体封装变得更小、集成度更高，使用非破坏性、高分辨率技术定位故障的能力变得越来越重要。对失效分析手段提出了挑战，故障高分辨率定位能力的需求逐渐增大。为满足这些要求，Advantest开发了TS9001TDR方案，该系统分析通过利用专有的短脉冲信号处理技术进行高分辨率时域反射测量（Time Domain Reflectometry, TDR），对先进半导体封装、电子元件和印刷电路板中的导线故障区域进行快速、高精度和无损分析。 2、主要应用以3D集成电路为代表的高密度集成电路中存在着无限小的布线结构，布线故障在封装、印刷电路板封装过程中频繁出现。检测故障点需要几十微米分辨率。由于上升时间（约20ps）和抖动（约1ps）的限制，传统示波器TDR方法的故障距离分辨率仍保持数百微米的分辨率。使用TS9001TDR系统可以准确分析各种尖端半导体封装的布线质量，如倒装芯片BGA、晶圆级封装和2.5D/3D IC封装，能够直接连接客户的射频探测系统，针对其设备形状和故障分析环境，实现高速、高分辨率的测量，提供灵活的解决方案。（1） 高度集成的集成电路封装故障分析1) 封装引线故障分析：确定引线故障点位于Si Interposer内还是封装内，识别故障是由预处理还是后处理中的因素引起的2) C4 Bump故障分析：利用测试回路确定和分析安装Si Interposer的条件，对测试回路的菊花链结构进行故障点分析，并对安装条件进行反馈3) TSV、Micro-Bump故障分析：识别层压芯片的故障层4) 印刷电路板PCB故障分析：识别PCB板中通孔和信号线的故障点3、原理与优势（1）原理与技术太赫兹脉冲时域反射计的原理参见上图。其利用两个的飞秒激光器分别泵浦光电导电线，产生高频的太赫兹脉冲信号。飞秒激光器的中心波长1550nm，脉冲宽度50fs。其中，一个飞秒激光器的重复频率50MHz，另一个激光器的重复频率稍有区别。采用两个激光器的重复频率稍有差别的缘由在于，利用两个激光器的差频延迟，可以实现高频太赫兹信号的产生和探测。其工作是高频太赫兹信号通过探针接触芯片的管脚，高频太赫兹信号在芯片封装的引线中传播。当芯片封装没有开断路时，高频太赫兹沿着引线向前传播；当芯片封装的引线等出现开路时，将反射回正峰脉冲信号；当芯片封装引线出现短路时，将反射回负峰脉冲信号。（2）技术优势为了识别故障点，常用的封装无损检测方法包括光发射显微镜(emission microscope)和示波器时域反射计(Time domain Reflectometry, TDR)等，但是这些无损检测方法受到时域信号抖动的限制（信号抖动约1ps），导致分辨率不高，不能定位微米级的失效位置，无法以高分辨率检测开路、短路故障。故亟需高分辨率时域反射计，以提供快速且精准的失效定位。Advantest通过独有的光学采样和电短脉冲生成技术，借助飞秒激光技术，产生抖动小于30fs的超短采样脉冲。可以实现5μm的故障定位分辨率。通过使用自动探针的自动触地功能，进行精确的可重复测量，具有更高精度和效率的故障位置测量。TS9001TDR系统通过自动探针和与CAD设计联动，实例分析芯片封装的引线开路和短路故障定位，可以直观快速定位芯片封装的故障点，实现先进封装的失效分析。4、国内外发展现状Advantest的TS9001TDR系统中采用两个超短脉冲激光器异步采样，采取异步采样技术可以使系统不再需要机械式的光学延迟线，并且具有超高速的信号扫描速度。是目前全球独一的技术，目前国内外没有同类设备。5、发展趋势随着晶圆代工制程不断缩小，摩尔定律逼近极限，先进封装是后摩尔时代的必然选择，3D封装迅猛发展。作为一种全新的实现定位方法，在未来的几年里，太赫兹TDR技术将继续保持高速发展的势头。随着关键技术的不断发展，相关产品的种类将越来越丰富，行业应用和相关配套服务也将越来越广泛。搭载脉冲电磁波产生和高速采样的超短脉冲光纤激光器的太赫兹TDR设备，有助于半导体3D封装的故障分析。 6、总结与展望 在实际芯片测量过程中，太赫兹脉冲信号耦合至芯片内部衰减较为严重，对于太赫兹脉冲的信噪比提出了很高的要求。为了进一步提高测量精度和芯片内的传输路径，提高信噪比是亟需攻克的问题。另外芯片内部的引线存在阻抗不匹配又没有完全开路的情况，对于这类Soft Open的芯片检测，TDR波形分析需要结合信号模拟仿真，增强对信号的解读。对于材料的吸收系数、折射率、介电常数等光谱特性，可以用太赫兹时域光谱仪表征，这也是爱德万测试太赫兹技术的核心应用。目前爱德万测试已经有太赫兹时域光谱成像系统，通过发射和接收时域太赫兹信号至样品，可以实现生物医学样品、食品农产品、化学品、复合材料、通讯材料等的光谱特性表征。（爱德万测试(中国)管理有限公司 供稿）

11月2日，受科技部基础司委托，基础研究管理中心组织专家对依托中国人民解放军电子工程学院的脉冲功率激光技术国家重点实验室进行了验收。科技部基础研究司相关人员出席会议。 　　专家组听取了脉冲功率激光技术国家重点实验室主任的建设情况报告，并进行了实地考察。经过认真研究讨论，专家组认为脉冲功率激光技术国家重点实验室在科学研究、人才培养、平台建设和管理运行等方面基本完成了建设计划任务，同意其通过建设验收。 　　脉冲功率激光技术国家重点实验室是首个建设的军民共建国家重点实验，是军民共建科研体制的有益探索。该实验室以脉冲功率激光产生机理为主线，重点开展脉冲功率激光传输与控制和脉冲功率激光与物质作用等基础科学和军民应用技术的研究。

日本郎美通公司研究人员开发了一种新型的分布式反馈（DFB）激光器，并证明它可在创纪录的10公里距离内以200Gb/s（吉字节/秒）的速度传输数据。这项研究有助推进网络技术，使互联网数据中心能以前所未有的水平处理数据。郎美通公司将在3月5日至9日于美国加州圣地亚哥举行的光纤通信会议（OFC）上介绍这项新研究。研究人员称，这项研究有助于开发800G和1.6T以太网的下一代数据中心。特别是，新技术表明，具有集成分布式反馈（EA—DFB）激光器的电吸收调制器甚至可使用传统的PAM4（脉冲幅度调制）技术进行10公里的传输。随着通信流量的不断增加，人们越来越关注实施下一代以太网技术，如800G和1.6T以太网，以帮助数据中心满足不断增长的需求。尽管在当今的400G以太网中用于2公里传输的相同PAM4技术正在考虑用于800G，但需要新技术来实现数据中心区域之间互连的长距离数据传输。在这项新工作中，研究人员开发了EA—DFB激光器，以实现更长的传输距离。他们首先使用新激光器演示了在50℃下使用粗波分复用（CWDM）波段的225Gb/s PAM4的5公里传输。他们还使用激光完成了在1293.5纳米波段处225Gb/s PAM4的10公里传输。该波长的色散比分配给CWDM的波长范围要小，CWDM通常用于通过光纤同时发送多个光信号。色散会导致光信号下降，不利于较长距离的传输。在实验中，新激光器性能表现稳定。研究人员表示，EA—DFB是实现即将到来的800G以太网技术应用的有前途的光源。

滨松光子学株式会社（静冈县滨松市，董事长：昼马 明 ，以下简称“滨松光子学（株）”）将传统泵浦用半导体激光器的功率提高了三倍，并优化了放大器的设计 ，成功开发了只有桌面尺寸大小，可以产生1焦耳（以下，j）的高能量、300赫兹（以下，hz）高重复频率的功率激光器。一般的激光器的输出功率与设备的尺寸、重复频率成正相关关系，而该课题实现了小型却高功率、高重复频率的激光器。本产品的诞生，通过去除细小的污垢的激光清洁来提高了传统加工的生产效率，同时，期待它在金属材料的激光成形、延长金属器件的使用寿命的激光喷丸等方面的新应用。该产品的开发是内阁办公室主导的综合科学技术与创新研发推进项目（impact）的一部分，是佐野雄二负责的“普及功率激光器以实现安全、安心、长寿社会”研发项目的一环，由滨松光子学（株）中央研究所产业开发研究中心副所长川嶋利幸等人开发，而且今后我们也将继续推进研究成果的产品化。此外，该新研发的产品将于11月1日（星期四）起连续3天在actcity滨松（滨松市中町区）举行的滨松光子综合展“2018photon fair”上展出。＜关于功率激光器＞功率激光器主要由振荡器和放大器组成。 振荡器由泵浦用半导体激光器、激光介质、全反射镜、输出镜和光开关组成，放大器由泵浦用半导体激光器和激光介质组成。 由振荡器发出的激光通过放大器时，从三种高能量状态（激发状态）的三段激光介质接收能量实现高功率输出。功率激光器的结构＜新产品概述＞该产品搭载了最新研发的泵浦用半导体激光器，虽然只有桌子尺寸大小，但却是可以产生1j的高脉冲能量且300hz的高重复频率的功率激光器。滨松光子学（株）已经开始制造并销售300hz的重复频率下输出功率为100w的泵浦用半导体激光器。此次，结合公司独有的晶体生长技术和镀膜技术，将传统泵浦用半导体激光的功率提高到世界最高水平300w，同时放大器在激光介质的长度和横截面积上下功夫，并采用具有提高冷却效率的放大器，解决了由于热问题导致激光介质损坏或破坏的问题，成功输出了传统放大器的3倍能量。这是因为放大器采用了新的散热设计，提高了激光的放大效率。此外，由于采用半导体激光器作为泵浦光源，具有高于市面上销售的氙灯泵浦脉冲激光器约10倍的光电转换效率，约100倍的泵浦光源的寿命。通过控制零部件的数量，成功实现了器件的稳定输出、小型以及低成本。一般激光器的功率与设备的尺寸、重复频率成正相关关系，但本产品却实现了小型而又高功率和高重复频率的特性。利用该产品，可以对附着于材料上的小污垢进行激光清洁，以提高传统加工的生产效率。此外，我们也期待脉冲激光器在工业领域的新应用，如飞机的金属材料等可以在不使用模具的情况下进行变形加工完成激光成形，以及通过激光喷丸来提高金属器件的使用寿命等。＜研发背景＞激光在金属材料的钻孔、焊接、切割等方面有着广泛地加工用途，为了提高生产效率，光纤激光器和co2激光器等各种各样的激光都在朝着高功率的方向发展。激光分连续输出一定强度激光的cw（continuous wave）激光和短时间内重复输出激光的脉冲激光，目前cw激光是激光加工领域的主流。另一方面，脉冲激光不同于cw激光，它正在朝着新型激光加工的应用方向发展。采用半导体激光器作为泵浦光源的功率激光器，它具有高功率、高重复频率的特性，但因为半导体激光器价格昂贵很难推向产品的实用化，而市场上销售的j级脉冲激光器上使用的泵浦光源多采用氙灯光源，对激光器内部有严重地热影响，因此重复频率只能限制在10hz左右。像这样，为了进一步提高生产效率，同时扩大用途，对小型且可以发出高功率、高重复频率脉冲激光的激光器的需求日益增加。主要规格＜委托研究信息＞此研究成果，是通过以下的科研课题项目得到的。内阁办公室创新研发推进项目（impact）项目负责人：佐野雄二研发项目：普及功率激光器以实现安全、安心、长寿社会研发课题：开发高功率小型功率激光器研究负责人：川鸠利幸（滨松光子学株式会社 中研研究所 产业开发研究中心 中心副主任）研发时间：2015年~2018年本研究开发课题是致力于开发桌子大小、高功率、高重复且稳定性高的脉冲输出的功率激光器。＜项目负责人佐野熊二的评论＞“普及功率激光器以实现安全、安心和长寿的社会”的impact计划，推动了大功率脉冲激光器的小型化、简化和高性能的发展，这对于探索最先进的科学和工业是不可缺的，同时，我们也正在推进相关基础技术和应用技术的开发，旨在提供可以随时随地使用，具有高稳定性的廉价激光器，向工业领域的创新努力。此次，滨松光子学（株）的开发团队采用了自有的先进半导体激光器作为泵浦高能脉冲激光器的光源，通过优化激光器件，以低价格实现前所未有的小型、高功率、高重复的激光设备。从限制成本和生产效率的角度来看，在我们之前放弃引入激光设备的领域，也期待会有更多的应用。功率激光器设备的结构 功率激光器设备外观

经过１０余年设计制造、３５亿美元投资，美国建成世界最大激光器 　　新浪科技讯 北京时间5月7日消息，据美国《连线》杂志网站报道，在劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)国家点火设施(NIF)的科学家，希望利用192个激光器和一个由400英尺长的放大器及滤光器阵列构成的装置，制造出一个像太阳或者爆炸的核弹一样的自维持聚变反应堆(self-sustaining fusion reaction)。最后一批激光器安装完毕后，《连线》网站记者参观了这个点火设施。观看看世界上最先进的科学设备。 　　1.美国“国家点火装置” 　　这个大部头看起来可能很像迈克尔贝执导的《变形金刚》中的人物，但是这个大型机器很快就会成为地球上的恒星诞生地。 　　美国“国家点火装置” 位于加州，投资约合24亿英镑，占地约一个足球场大小。科学家希望该激光器能模仿太阳中心的热和压力。“国家点火装置”由192个激光束组成，产生的激光能量将是世界第二大激光器、罗切斯特大学的激光器的60倍。2010年，192束激光将被汇聚于一个氢燃料小球上，创造核聚变反应，打造出微型“人造太阳”，产生亿度高温。 　　2.庞大的靶室 　　 庞大的靶室 　　在庞大的靶室里，192束激光束进入直径是33英尺的蓝色真空室，在那里跟一个胡椒瓶大小的目标物相撞。然后这些光束会以动力较低的红外线的形式，从该仪器的不同部位出来，这个部位跟DVD播放器的内部结构类似。接着激光经过一系列复杂的放大器、过滤器和镜子，以便变得足够强大和精确，可以产生自维持聚变反应堆。 　　3.包含放射性氢同位素、氘和氚的铍球 　　 包含放射性氢同位素、氘和氚的铍球 　　这个铍球包含放射性氢同位素、氘和氚。科学家将利用这个系统的192个激光器产生的X射线轰击它。核子熔合的关键是有足够的能量把两个核子熔合在一起，在这项实验中用的是氢核子。由于把两个核子分开的斥力非常强，因此这项任务需要利用极其复杂的工程学和特别多的能量。 　　例如，在光束进入真空室(包含图片上方的目标物)之前，激光必须通过巨大的合成水晶，转变成紫外线。发射到真空室里的光束会进入一个被称作黑体辐射空腔(hohlraum)的豆形软糖大小的反射壳(reflective shell)里，光束的能量在这里产生高能X射线。从理论上来说，X射线的能量应该足以产生可以克服电磁力的热和压力，这样核子就能熔合在一起了。电磁力促使同位素的核子分开。 　　4.靶室顶部的起重机和气闸盖 　　 靶室顶部的起重机和气闸盖 　　在第一张照片的靶室顶上，是用来把底部仪器放入真空室的起重机和气闸盖。如果这个仪器产生作用，它将成为未来发电厂的前身，将提高科学家对宇宙里的力的理解。当常规核试验被禁止的时候，它还有助于我们了解核武器内部的工作方式。 　　5.精密诊断系统 　　 精密诊断系统 　　激光束将被发射到精密诊断系统里，以在它进入靶室以前，确定它能正常工作。 　　6.激光间 　 　激光间 　　在激光间(laser bay)里眺望，会看到国家点火设施的激光间2号向远处延伸超过400英尺，激光在从这里到达靶室的过程中，会被放大和过滤。过去35年间，科学家在劳伦斯利弗莫尔国家实验室建设了另外3个激光熔合系统，然而它们都不能生成足够达到核子熔合的能量。第一个激光熔合系统——Janus在1974年开始运行，它产生了10焦耳能量。第二项试验在1977年实施，这个激光熔合系统被称作Shiva，它产生了10000焦耳能量。 　　最后一项实验在1984年实施，这个被称作Nova的激光熔合项目产生了30000焦耳能量，这也是它的制造者第一次相信通过这种方法可以实现核子熔合。国家点火设施科研组制造的这个最新系统有望产生180万焦耳紫外线能量，科学家认为这些能量已经足以在劳伦斯利弗莫尔国家实验室里产生一个小恒星。 　　7.磷酸盐放大玻璃 　　 磷酸盐放大玻璃 　　国家点火设施包含3000多块混合着钕的磷酸盐放大玻璃，这是在熔合试验中用来增加激光束的能量的一种基本材料。这些放大玻璃板隐藏在密封的激光间周围的围墙里。 　　8.技术人员在激光间里安装光束管 　　 技术人员在激光间里安装光束管 　　技术人员在激光间里安装光束管，激光通过这些管会进入调试间。激光在调试间里会被重新改变运行路线，并重新排列，然后被输送到靶室里。 　　9.紧急停运盘 　　 紧急停运盘 　　在整个国家点火设施里，标明激光位置的紧急停运盘(emergency shutdown panels)，可在激光发射时，为那些在错误的时间站在错误的地方的科学家和技术人员提供安全保障。 　　10.光导纤维 　　 光导纤维 　　光导纤维(黄色电缆部分)把低能激光传输到能量放大器里。然后在通过混有钕的合成磷酸盐的过程中，利用强大的频闪放电管放大。 　　11.能量放大器 　　 能量放大器 　　能量放大器隐藏在天花板上的金属覆盖物下面，它含有可增大激光能量的玻璃板。在激光刚刚进入放大玻璃前，灯管把能量吸入玻璃里，接着激光束会获得这些能量。 　　12.可变形的镜子 　　 可变形的镜子 　　可变形的镜子隐藏在天花板上覆盖的银膜下面，这种镜子是被用来塑造光束的波阵面，并弥补它在进入调试间前出现的任何缺陷。每个镜子利用39个调节器改变镜子表面的形状，纠正出现错误的光束。你在照片中看到的电线是用来控制镜子的调节器的。 　　13.激光放大器 　　 激光放大器 　　激光束在进入主放大器和能量放大器前，较低前置放大器会放大激光束，并给它们塑形，让它们变得更加流畅。 　　14.便携式洁净室 　　 便携式洁净室 　　科学家利用一个独立的便携式洁净室(CleanRoom)运输和安置能量放大器和其他元件，这个洁净室就像用来装配微芯片的小室。 　　15.能量放大器 　 　能量放大器 　　每个能量放大器都被安装在洁净室附近，然后利用遥控运输机把它们运输到梁线所在处。 　　16.技术人员校对能量放大器 　　 技术人员校对能量放大器 　　从照片中可以看到，能量放大器在被放入梁线以前，技术人员正在对它进行校对。 　　17.模仿NASA的主控室 　 　模仿NASA的主控室 　　照片中的主控室看起来跟美国宇航局的任务控制中心很相似，这是因为前者是模仿后者建造的。国家点火设施并不是利用这个主控室把火箭发射到外太空，而是设法通过激光，利用它把恒星的能量(核子熔合)带回地球。 　　18.光束源控制中心 　　 光束源控制中心 　　光束源控制中心即已知的主控振荡器室，看起来跟数据中心(Server Farm)很像，但是这个控制中心不是利用电脑，而是安装了一排排架子。光束通过光纤前往能量放大器的过程中，看起来就像网络供应商使用的网络。 　　19.国家点火设施的激光源 　　 国家点火设施的激光源 　　国家点火设施的激光是从一个相对较小、能量较低，并且比较呆板的盒子里发射出来的。这个激光器呈固体状态，跟传统激光指示器没有多大区别，不过它们发射的光波波长不一样，前者是红外线，后者是可见光。 　　20.高能灯管 　 　高能灯管 　　高能灯管(flashlamps)跟照相机里的灯管一样，但是前者的体积超大，它可以用来激发激光。每束光束刚产生时，强度仅跟你的激光指示器发出的激光强度一样，但是它们在二十亿分之一秒内，强度就能曾大到500太拉瓦，大约是美国能量输出峰值时功率的500倍。 　　这一结果是能实现的，因为该实验室里拥有巨大的电容器，里面储存了大量能量。这个电容器非常危险，当它充电后，这个房间将被封闭，禁止任何人靠近，以免出现高压放电现象，伤着来访的人。 　　国家点火设施的外面看起来很像《半条命(Half-Life)》的拍摄现场，这种普通的外观掩饰了在里面进行的历史性科学研究。(孝文) 英刊揭秘世界最强激光产生过程(组图) 　　导读：2009年4月，耗资达35亿美元的美国“国家点火装置”(NIF)正式开始进行相关实验，并计划于2010年最终实现聚变反应。届时会将192束激光同时照射在一个微小的目标上，是迄今世界上性能最强大的激光装置。英国《新科学家》杂志网站13日撰文揭秘世界最强激光产生过程。以下为全文： 　　“国家点火装置”是美国国家核安全管理局(NNSA)的库存管理计划的关键环节。在受控实验室条件下，“国家点火装置”将进行聚变点火和热核燃烧实验，实验结果将为NNSA提供相关武器生产条件的实验手段。这些条件对NNSA在不开展地下核试验的条件下评估并验证核武库的工作至关重要。“国家点火装置”实验将研究武器效应、辐射输运、二次内爆和点火相关的物理学机理，并支持库存管理计划继续取得成功。“国家点火装置”是目前世界上最大和最复杂的激光光学系统，用于在实验室条件下实现人类历史上的第一次聚变点火。192束矩形激光束将在30英尺的靶室中实现会聚，其中靶室内含有直径为0.44厘米的氢同位素靶丸。发生聚变反应时，温度可达到1亿度，压力超过1000亿个大气压。 　　以下是“国家点火装置”产生最强激光的几大步骤： 　　1、安装球形外壳 　　 　　安装球形外壳 　　为了产生聚变所必须的高温和高压，“国家点火装置”将汇聚其所有192束激光束同时射向一个氢燃料目标之上。“国家点火装置”呈球形(如图所示)，直径约为10米，重约130吨。装置内有一个目标聚变舱，点火实验就发生于目标聚变舱内。整个球体由18块铝材外壳拼接而成，每块外壳均约10厘米厚。球体外壳上正方形窗口就是激光束的入口，而圆形窗口则是用来安装和调节诊断装置，诊断装置共有近100个分片。 　　2、用调节器调整靶位 　　 　　用调节器调整靶位　　这是目标聚变舱内部的照片。激光束通过外壳上的入口进入目标舱，把将近500万亿瓦特的能量瞄准于位置调节器的尖端。图中右侧的长形带有尖端的物体就是位置调节器，每次实验的目标氢燃料球就置放于尖端之上。当所有激光束全部投入时，“国家点火装置”将能够把大约200万焦耳的紫外线激光能量聚焦到小小的目标氢燃料球之上，它比此前任何激光系统所携带能量的60倍还要多。当激光束的热和压力达到足以熔化小圆柱目标中氢原子的时候，所释能量要比激光本身产生的能量更多。氢弹爆炸和太阳核心会发生这类反应。科学家相信，总有一天通过核聚变而不是核裂变会产生一种清洁安全的能源。 　　3、将燃料放入燃料舱(圆柱体) 　　 　　将燃料放入燃料舱(圆柱体) 　　进入“国家点火装置”的所有192束激光束都将被引向图中这个铰笔刀大小的圆柱体。该圆柱体中将装有聚变实验所使用的目标燃料，目标燃料就是约为豌豆大小的球状冰冻氢燃料。实验时，激光束将通过各自窗口进入目标舱内，从各个方向压缩和加热氢燃料球，希望能够产生自给能量的聚变反应。曾经有不少科学家认为可控核聚变反应是不可能实现的。近年来，科学家找到了一些点燃热聚变反应的方法，美国研究人员找到的方法是利用高能激光。虽然科学家们也尝试了其他种核聚变发生技术，但从已完成的实验效果看，激光技术是目前最有效的手段。除激光外，利用超高温微波加热法，也可达到点燃核聚变的温度。 　　4、压缩并加热燃料 　　 　　压缩并加热燃料 　　所有激光束进入这个金属舱内部时，他们将产生强烈的X光线。这些X光线不仅仅可以把豌豆大小的氢燃料球压缩成一个直径只有人类头发丝截面直径大小的小点，它还能够将其加热到大约300万摄氏度的高温。尽管激光的爆发只能持续大约十亿分之一秒，但物理学家们仍然希望这种强烈的脉冲可以迫使氢原子相互结合形成氦，同时释放出足够的能量以激活周围其他氢原子的聚变，直到燃料用尽为止。在激光点火装置内，一束红外线激光经过许多面透镜和凹面镜的折射和反射之后，将变成一束功率巨大的激光束。然后，研究人员再将该激光束转变为192束单独的紫外线激光束，照向目标反应室的聚变舱中心。当激光束照射到聚变舱内部时，瞬间产生高能X射线，压缩燃料球芯块直至其外壳发生爆裂，直到引起燃料内部的核聚变，从而产生巨大能量。 　　5、用磷酸二氢钾晶体转换激光束 　　 　　用磷酸二氢钾晶体转换激光束 　　激光束在进入目标舱内之前，必须要先由红外线转换成紫外线，因为紫外线对加热目标燃料更为有效。激光转换过程必须要使用磷酸二氢钾晶体。图中的这块磷酸二氢钾晶体重约360公斤。首先将一粒籽晶放入一个高约2米的溶液桶中，经过两个月的培养才可形成如此巨型的晶体。然后将晶体切割成一个个截面积约为40平方厘米的小块。“国家点火装置”共需要大约600多块这样的晶体小块。“国家点火装置”将被用于一系列天体物理实验，但是，它的首要目的是帮助政府科学家确保美国“老年”核武器的可靠性。“国家点火装置”项目的建造计划于上世纪90年代早期提出，1997年正式开始建设。(刘妍)

激光拥有许多普通光不同的特征，使激光在许多领域被作为工具使用。但一般激光都需要复杂的技术和设备制造，让细胞发射出激光的想法似乎比较疯狂。科学家有时候看起来就是这么疯狂，最近有科学家真的制造出能发射激光的活细胞。这一新技术成为《自然》网站的最近头条新闻。科学家将含有荧光染料的油滴注射到单细胞内，用短脉冲光线激发细胞内染料产生激光。　　这一新技术发表在7月27日《自然光子》杂志上，该技术不仅能开发为医学诊断的方法，也具有形成治疗疾病新技术的可能。　　这一技术的设计者是Seok Hyun Yun和Matja? Humar，哈佛大学医学院的这两位光物理学家，利用油滴反射和放大光线使单细胞产生激光。Yun在2011年曾经报道过一种能产生激光的细胞，先利用基因工程技术让细胞表达荧光蛋白，然后将表达荧光蛋白的细胞放置于一对镜子中间，或者是细胞借助镜子的反射制造激光。最新这一技术更进一步，是让细胞自己独立产生激光。　　在未来，这种“生物激光器”将能被进一步开发，植入活的动物体内，这能将大大提高显微镜扫描的精确度。将这种激光细胞植入身体内，可以制造出体内激光光源，帮助科学家观察组织结构和诊断疾病。　　生物技术常用的荧光探针包括荧光染料和荧光蛋白，这些荧光的特点是发射比较宽的波长。这一特点导致荧光探针无法同时使用许多类型。例如我们可以选择绿色、红色和蓝色的荧光，其实同样是红色，其波长有非常多的类型。因为每个探针都是多种波长组成的混合光线，因此我们只能选择很少几类荧光作为工具。例如我们比较常用的荧光免疫组织化学，你一次用三种颜色标记三种不同蛋白就非常不错了。　　激光能解决这个尴尬的问题，因为激光的特点就是非常窄的波长，这样理论上，我们可以同时追踪非常大量不同的目标分子。而且也能大大提高检测的灵敏度。波士顿布里格姆妇女医院生物工程学家Jeffrey Karp对该技术大加赞赏，认为是解决了用一种技术同时示踪数千种目标分子的伟大发明。　　最新报道的这一技术核心是将含有荧光的聚苯乙烯滴注射到细胞内，可通过改变聚苯乙烯滴直径获得不同发射波长的激光。理论上组合不同的聚苯乙烯滴和不同波长的染料，能用不同波长光线标记人体所有的细胞。

在&ldquo 十二五&rdquo 863计划新材料领域&ldquo 先进激光材料及全固态激光技术&rdquo 主题项目支持下，中国科学院上海光学精密机械研究所承担的&ldquo 千瓦级光纤材料及全光纤激光器&rdquo 课题取得重大进展，在近期通过了课题技术验收。 　　课题解决了低光子暗化掺镱光纤、高功率光纤光栅、高功率泵浦合束器的国产化制备技术，开发出双包层光纤、光纤光栅和泵浦合束器系列产品或样品，形成了一套拥有自主知识产权的高功率光纤材料与核心部件的制备工艺技术，所开发的掺镱光纤与核心部件应用在千瓦级光纤激光器产品中。 　　掌握了千瓦级全光纤激光器的整机集成及规模化生产的关键技术和相关工艺，实现了数百瓦到千瓦级单模全光纤激光器的批量化生产，打破了国外垄断。所开发的系列高功率全光纤激光器已在金属薄板切割、焊接等领域获得重要应用。 　　课题实施期间，成立了2家专业从事高功率光纤激光器研发生产的高科技公司，组建了专业化的生产示范线，实现了数百瓦到千瓦级光纤激光器的产业化。2012年，形成了小规模生产销售能力。 　　作为目前先进的工业加工用高功率激光器，单模千瓦级以上全光纤激光器我国还大量依赖进口。高功率全光纤激光器与智能机器手技术相结合，使得实现高功率激光加工(如焊接、切割、融覆、3D打印等)的柔性化和智能化成为可能，是目前国内外激光加工装备的重要发展趋势。作为制造业大国，我国对该类高效率全光纤激光器有较为广泛的应用需求，市场前景广阔。

研究人员最近展示了一种有史以来最小的激光器，其包含一个直径仅为44纳米的纳米粒子。该器件因能产生一种称为表面等离子的辐射而被命名为“spaser”。这项新技术可允许光子局限在非常小的空间内，一些物理学家据此认为，就像晶体管之于现今的电子产品，spaser也许将成为未来光学计算机的基础。 美国诺福克大学材料研究中心物理学教授米哈伊尔诺基诺夫表示，现今最好的消费电子产品可在大约10吉赫兹的速度上运行，但未来的光学器件的运行速度可达到几百太赫兹范围。一般来说，光学器件难以实现小型化，是因为光子无法限定在比其一半波长更小的区域内。但以表面等离子形式与光作用的器件就能将光限定在非常紧密的位点上。 诺基诺夫说，目前科学家们正在基于等离子的新一代纳米电子设备的理论研究上努力探索。与以前的其他等离子器件不同的是，spaser能有效地产生和放大这些光波。诺基诺夫及同事在近期的《自然》杂志上发表了此项研究成果。 spaser包含一个直径仅为44纳米的单纳米粒子，激光器的其他不同部分的功能则与常规激光器无异。在普通激光器中，光子通过可放大光线的增益介质在两个镜面间反弹。而spaser中的光则围绕一个等离子形式的纳米粒子核中的金球表面进行反弹。 此中的挑战是确保这种能量不会快速从金属表面消散。诺基诺夫及其团队通过在金球上喷涂嵌有染料的硅层来实现这一要求。硅层可作为增益媒介。来自spaser的光可作为等离子体保持在限定区域，亦可作为可见光范围的光子离开粒子表面。像一个激光器一样，spaser必须“泵”入必要的能量，研究人员利用光脉冲轰击粒子来达到这个目的。 常规激光器的大小取决于其使用的光波长，反射面间的距离不能小于光波长的一半，在可见光范围大约为200纳米。spaser则是利用等离子体解决了此局限。诺基诺夫说，spaser也许将能做到一个纳米大小，但任何小于这一尺寸的纳米粒子，其功能就会丧失。 美国乔治亚州大学物理学教授马克斯托克曼称，和目前最快的晶体管相比，spaser虽具有同等的纳米尺度，但其速度要快上1000倍，这为制造速度超快的放大器、逻辑元件和微处理器提供了可能。 诺基诺夫则表示，spaser不仅能在光子计算机领域找到用武之地，也能在现今使用常规激光器的领域得到应用。更为现实的应用领域就是磁性数据存储业。现今用于硬盘的磁性数据存储介质已达到其物理极限，扩展其存储能力的方法之一就是在其记录过程中用非常小的光点对介质进行加热，而这必须使用纳米激光器才能做到。

近日，华南理工大学教授李志远团队成功造出一台全谱段白光激光器，其具备光斑明亮、光谱光滑且平坦、大脉冲能量的特点，能覆盖 300-5000nm 的紫外-可见-红外全光谱，单脉冲能量达到 0.54mJ。这样一台全谱段白光激光器的面世，可用于构建全谱段的超快光谱学探测技术，有望将激光技术推至世界领先水平，从而更好地服务于前沿研究。图 | 李志远（来源：李志远）基于本次成果，课题组将进一步构建全谱段的超快光谱学探测设备，届时有望对物质内部多个波段中的物理、化学和生命过程开展超快的精密探测，从而实现高速摄谱的技术能力，进而用于开展二维材料、锂离子电池、化学催化等领域的研究。本次研究中所涉及的光谱学技术，可以覆盖深紫外-可见波段的原子以及分子的电子跃迁吸收谱，也能覆盖近红外波段的半导体带间电子跃迁吸收谱、以及中红外波段的分子振动等。借此可以打造一种崭新的光谱学检测手段，对于那些使用传统手段所无法揭示的新现象和新规律，本次新手段很有希望填补相关空白。（来源：Light: Science & Applications）鉴于光学波段的光子和物质的电磁相互作用强度以及灵敏度，远远超过 X 射线光子与物质原子核、以及内壳层电子的电磁相互作用。而且，即便是 1mJ 量级的全谱段白光飞秒脉冲激光的光子亮度，也远远超过目前同步辐射 X 射线光源的亮度。“因此，全谱段白光激光器在物质科学和生命科学中所发挥的作用，也有望超过传统的同步辐射 X 射线光源。”李志远表示。日前，相关论文以《强紫外-可见-红外全谱段激光器》 （Intense ultraviolet–visible–infrared full-spectrum laser）为题发在 Light: Science & Applications，华南理工大学博士生洪丽红是第一作者，华南理工大学李志远教授、中国科学院上海光学精密机械研究所（上海光机所）李儒新院士担任共同通讯 [7]。图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）助力解决 Science 125 个待解难题之一据介绍，作为一种崭新的激光光源，超宽带白光激光具有极宽带宽、高光谱平坦度、大脉冲能量、高峰值功率、高时空相干性等五大优点，能极大拓展激光技术的发展和应用范围。而如何构建一台覆盖紫外-可见-红外波段的全谱段白光激光器，同时拥有高峰值功率和高脉冲能量，是一个极具挑战的宏大目标。2020 年，Science 杂志将其列为 125 个前沿重大科学问题之一。主要原因在于，基于目前纯粹单一的激光器技术、二阶非线性变频技术、以及三阶非线性频率展宽技术，远不足以解决这一问题。过去十年，李志远团队基于自主开发的啁啾结构非线性铌酸锂晶体，结合大脉冲能量、高峰值功率的飞秒脉冲激光泵浦，利用二阶和三阶非线性协同作用的原创性物理机制，提升了白光飞秒激光的转换效率、频谱带宽、脉冲能量、光谱平坦度等指标。要想产生全谱段白光飞秒激光，需要达到两个先决条件：带宽超过一个光学倍频程的强泵浦飞秒激光光源，以及具有极大非线性频率上转换带宽的非线性晶体。不过，要想同时满足上述两个条件并非易事。为此，课题组使用光学参量啁啾脉冲放大技术，以及使用由充气空心光纤、纯铌酸锂晶体材料和啁啾极化铌酸锂晶体组成的极宽带非线性变频模块，将飞秒激光技术、二阶非线性变频技术、三阶非线性频率展宽技术加以综合，研制了这款全谱段白光激光器。其中，二阶和三阶非线性效应协同作用的原创性物理机制，是打造本次全谱段白光激光器的秘密。上述机制的好处在于，能够清除二阶非线性或三阶非线性方案中所存在的输出光谱性能不佳的限制。李志远表示：“全谱段白光激光有望成为激光技术发展历史上的一个里程碑，并能很好地回答 Science 杂志 2020 年的 125 个最前沿的科学问题，即人类能否造出与太阳光相似的非相干强激光。”（来源：Light: Science & Applications）让中国学界真正拥有属于自己的实验设备多年来，学界一直渴望产生像太阳光一样的白光激光。紫外-可见-红外全谱段白光激光的产生，则一直是激光技术等待攻克的堡垒，也是李志远团队努力追求的目标。十年来，该课题组历经 8 次阶段性成果的积累，才造出了上述全谱段白光激光器。2014 年，该团队将啁啾调制的概念引入一维铌酸锂晶体的周期设计中。在可调谐近红外光源的帮助之下，设计出多个不同啁啾度的准相位匹配晶体，让二次、三次谐波产生的非线性过程的相位失配，能够在单个晶体中得到补偿，借此实现宽带可调谐三基色光源的同时输出，也拉开了课题组“白光激光”之梦的序幕。2015 年，李志远让学生陈宝琴开展啁啾结构铌酸锂晶体中六次谐波产生的研究。在实验的关键阶段，李志远去现场看学生做实验，结果发现了又圆又白的激光束产生，这完全出乎意料之外。李志远觉察到这是一个“好东西”。仔细分析之后，确定啁啾结构铌酸锂晶体产生了二到八次谐波。在一个固体材料中产生高次谐波，这是一个前所未有的科学发现，也让课题组开始树立“白光激光”的梦想。随后，他们设计了啁啾结构非线性光子晶体，以中红外飞秒脉冲激光为泵浦源，在单块晶体中同时产生了超宽带二到八次谐波。其中，四到八次谐波形成 400-900nm 超宽带可见白光激光，其转换效率达到 18%。2014 年和 2015 年的这两项工作表明：该团队自主研发的铌酸锂晶体二阶非线性方案，可以支持宽带二次谐波产生。同时，也能支持宽带二次谐波和三次谐波产生，甚至支持基于级联三波混频的高次谐波产生，最终可以实现超宽带可见白光激光的产生。而要想产生全谱段白光飞秒激光，就需要继续深挖上述方案的潜能，以便满足产生全谱段激光所需要的苛刻条件：即泵浦激光脉冲带宽要足够宽，非线性晶体材料的准相位匹配带宽要足够大。2018 年，课题组选用更高能量的近红外飞秒脉冲激光作为泵浦源，针对相关泵浦条件设计出一款啁啾结构铌酸锂晶体，这块晶体在不同偏振状态之下，均能同时产生二次谐波和三次谐波。通过此他们首次发现了二阶和三阶非线性协同作用的新物理机制，并证明这一机制能够显著提升相关性能的指标。利用级联二次谐波和三次谐波方案，他们生成了 400-900nm 可见-近红外波段的可调谐白光激光，转换效率达到 30％。这一发现，也促使他们去发现产生白光激光的更优路线，即基于二阶和三阶非线性协同作用产生超连续白光激光的方案。在新路线的指导之下，他们设计出一块能同时产生二到十次谐波的宽带白光非线性晶体材料。针对这款白光非线性晶体材料，他们又采取 45μJ 脉冲能量的 3.6μm 中红外飞秒脉冲激光泵浦的设计方案，借此产生 25dB 带宽、覆盖 350-2500nm 的紫外-可见-红外超连续白光飞秒激光，单脉冲能量为 17μJ，转换效率为 37%。在此基础之上，他们继续优化二阶非线性和三阶非线性协同效应。期间，该团队发现石英玻璃的三阶非线性效应远远优于铌酸锂晶体，而特殊设计的铌酸锂啁啾非线性光子晶体可以同时使用高达十二阶次的准相位匹配。后来，他们利用 0.5mJ 的钛宝石飞秒脉冲激光器泵浦，来对熔融石英-啁啾极化铌酸锂晶体进行泵浦，最终实现 10dB 带宽覆盖 375-1200nm、20dB 带宽覆盖 350-1500nm 的超连续激光，单脉冲能量为 0.17mJ，转换效率为 34%。前面提到，课题组期望实现的白光飞秒激光具有五个高指标。因此，在追求极宽带宽范围的同时，他们还得实现更大的脉冲能量、更高的光谱平坦度。于是，该团队以高能量钛宝石主激光作为泵浦源，针对由熔融石英和啁啾极化铌酸锂晶体组成的级联光模块，对其整体非线性响应进行进一步的操纵，从而显著提高了白光飞秒激光的综合性能。期间，他们利用 3mJ 脉冲能量的钛宝石飞秒激光泵浦，对石英-超宽带白光非线性晶体级联模块进行熔融，基于二阶和三阶非线性协同作用的高效超宽带二次谐波产生方案，实现了 mJ 量级、3dB 带宽覆盖 385-1080nm 的超宽带白光飞秒激光。此外，自 2018 年起课题组联合一家外部公司研制了 3mJ/50 fs/1 kHz 钛宝石飞秒激光器，实现了相关仪器的国产替代。并以此作为泵浦源，和白光非线性变频模块加以结合，从而形成了成熟高效的白光飞秒激光生成方案，借此造出一款白光飞秒激光整机设备。以上成果也促使他们进一步思考：如何产生覆盖一到十次谐波的全谱段白光激光？为此，他们与上海光机所李儒新院士团队合作，提出一款非线性级联装置。这种装置可以满足以下两个条件：一个较强的带宽达到光学倍频的中红外泵浦激光光源；以及一个具有极大非线性频率上转换带宽的非线性晶体。随后，他们基于光学参量啁啾脉冲放大技术，研制出一种中红外飞秒脉冲激光器，它具有 3.5mJ、3.9μm 中心波长，可以起到泵浦激光光源的作用。接着，基于宽带二阶和三阶非线性变频模块，他们获得了光谱范围 25dB 带宽、覆盖 300-5000nm 的全谱段超连续白光飞秒激光。“至此，我们欣喜地发现借助强中红外飞秒激光作为泵浦源已经成功走通了全谱段白光激光产生的道路。”李志远表示。（来源：Light: Science & Applications）总的来说，课题组已经实现了“三高”型白光飞秒激光：大单脉冲能量（第一高）、300-5000nm 的频谱宽度（第二高）、高光谱的平坦度（第三高），基本涵盖了铌酸锂晶体的全部透光范围。接下来，他们将继续与李儒新院士团队合作，朝向更高目标前进，力争实现深紫外-紫外-可见-近红外-中红外-远红外的“三高”全谱段白光飞秒激光。假如可以实现，就能建造比拟同步辐射光源、以及自由电子激光光学波段的全谱段超连续激光光源。“届时，相信我们中国科学界将拥有属于真正自己的研究物质科学和生命科学的实验设备。”李志远最后表示。

成果名称 400um光纤耦合千瓦半导体激光器 单位名称 北京工业大学 联系人 李强 联系邮箱 ncltlq@bjut.edu.cn 成果成熟度 □研发阶段 &radic 已有样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产 合作方式 &radic 技术转让 &radic 技术入股 &radic 合作开发 □其他 成果简介： 　　400&mu m光纤耦合千瓦半导体激光头实物图 　400&mu m光纤耦合千瓦半导体激光器整机实物图 本项目研发的光纤耦合半导体激光器光纤耦合输出功率大于1000W，光束质量好，耦合光纤芯径400&mu m，光纤耦合效率大于96%，总的电光效率42.99%。样机集成激光模块、电源、冷却、控制等为一体，通过触摸屏实现激光器开关、输出功率设置、状态监测显示。激光器可以放置于机柜上方，也可以与机柜分离放置，适应科研应用及工业加工配合机床或者机械手的应用需求。产品化样机配备了用于激光焊接、激光熔覆的加工头，已进行了不锈钢等材料的激光焊接、激光熔覆加工应用。 本项目研发的高光束质量光纤耦合输出半导体激光器，采用标准的半导体阵列（10mm bar），避免采用特殊的半导体激光器所带来的器件成本增加；采用微光学元件对半导体阵列的发光单元重构、变换，单阵列输出功率高，组合阵列数减少，装配工艺相对简单，降低了制作成本；耦合传输光纤采用高功率石英传输光纤，提高激光器的传输效率和可靠性，满足推广应用的要求。 本项目创新点是采用标准的半导体阵列（10mm bar），通过微光学元件将阵列发光单元重构、变换的新方法，极大提高阵列的光束质量。本项目所研制的400&mu m光纤耦合千瓦激光器中，所使用的每一个半导体阵列都采用了该技术提高了光束质量，使得每个空间合束模块能够获得高功率、高光束质量的激光输出。 该项技术不仅可以应用于半导体激光器的直接应用，而且在用于泵浦源应用时，可以提高泵浦激光的功率密度，可以为提高输出激光的功率和光束质量。可以预期的是，利用该项技术，在现有的400&mu m光纤耦合千瓦激光器的技术基础上，通过合束更多的激光波长，获得2000W，甚至更高的激光输出功率，为工业应用提供更高功率的激光源。而且该项技术应用于泵浦固体激光器、光纤激光器等方面，提高了泵浦光的功率密度，也为实现高性能的固体激光器、光纤激光器等提供更好的技术支持。 应用前景： 输出激光光强分布图 半导体激光器与其他传统的材料加工用大功率激光器如 CO2 激光器、YAG 激光器相比，具有体积小巧，结构紧凑，是灯泵 Nd：YAG 激光器的1/3，光电转化效率高，节省能源，无污染，系统稳定性高，寿命长，维护费用低的特点。 目前大功率光纤耦合半导体激光器用于激光熔覆、激光焊接在中国处于启动阶段，国产光纤耦合半导体激光器，只能将标准半导体阵列激光耦合入大芯径光纤（芯径600&mu m以上光纤），由于激光亮度低，只能用于金属材料的激光熔覆。而本项目研制的400um光纤耦合千瓦半导体激光器，由于光束质量好，可直接用于激光熔覆、激光焊接、切割等领域，代替国外产品。 本项目开发的千瓦级光纤耦合半导体激光器除了具有国内外的半导体激光亮度的基础指标外，还具有其它优点：1. 自主开发，具有完全的自主知识产权；2.采用标准半导体阵列，使整体原材料成本降低20%－25%；3.空间合束组合模块后，进行偏振、波长合束的方法组合，使产业化中方便进行模块化工艺设计，适于大批量生产；4.采用微光学元件对光束进行整形，使装配难度及后端光纤耦合难度降低，从而降低生产成本；可附加多种功能，如指示光、光电探测器等，更灵活适应用于各种行业；5.多个半导体阵列模块可灵活组合，可方便为用户提供多种解决方案。 知识产权及项目获奖情况： 本项目开发的千瓦级光纤耦合半导体激光器受到北京市科学技术委员会首都科技条件平台资助，是自主开发产品，具有完全的自主知识产权。 专利情况： （1）大功率固体激光高效率光纤耦合方法，专利号：CN101122659A （2）激光二极管电极连接装置，专利号：CN100527532C