高重复频率太瓦激光系统

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

美国国家高能公司（National Energetics）和立陶宛艾克斯玛（EKSPLA）公司荣膺承建10拍瓦级激光系统。 National Energetics联合Ekspla公司共同签署了一份4000万美元的合同。这一开发团队旨在为欧盟在捷克共和国布拉格的“极端光基础设施光束项目（Extreme Light Infrastructure Beamlines facility，ELI-Beamlines）”开发和安装一套超高功率激光系统。 这套激光系统能够产生超过10拍瓦级超高峰值功率，将成为世界上功率最强的激光器。作为极端光基础设施光束项目（ELI-Beamoines）的四个主要光束线之一，能够扩展等离子体、高能密度物理、粒子加速、分子结构、生物及材料科学等领域的研究。 该团队经过长期严苛的选拔，最终从几个候选者中脱颖而出，成为中标人。德克萨斯州奥斯汀的National Energetics公司在拍瓦级高能量超快激光系统方面有多年的建造和使用经验。立陶宛首都维尔纽斯的Ekspla公司在激光器及电源制造方面拥有世界领先的开发经验。这两个主要团队成员之外，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Labs，LLNL）将承担一个子合同，制造特种光栅并提供技术支持。最后，德国的肖特（Schott AG）公司将为大口径激光放大系统提供特种激光玻璃。ELI-Beamlines管理团队将会按期沟通和管控团队。 这套10拍瓦级激光系统是ELI-Beamoines项目开展过程的一个主要部分。捷克共和国科学院物理研究所的主任JanRidky教授说：“这个10拍瓦级激光系统合同的敲定是ELI-Beamlines项目进展的一个重要阶段。目前，该项目设计已经完成，未来设施的核心部分，所有激光系统的施工建设即将展开。我们非常高兴能够与这个团队合作，有National Energetics的主导，有Ekspla公司为该项目的关键技术瓶颈提供解决方案。这个10拍瓦级激光器建成后，ELI-Beamoines项目会获得唯一一个强大的工具，帮助欧洲及世界研究团队从本质上推进超强场前沿物理研究领域的发展。 这套拍瓦级激光系统的输出能量将超过1.5kJ，脉冲宽度接近150fs，重复频率为1个脉冲每分钟。系统利用了之前在奥斯汀德克萨斯大学建设拍瓦激光器系统时采用过的一些技术，例如光学参量啁啾脉冲放大和钕玻璃碟片介质高功率放大器两种激光玻璃介质组合技术。National Energetics开发的独特的液体冷却技术允许激光系统工作频率为20Hz，这比任何其他的千焦级蝶型激光器都快。这项技术适用于项目中激光器的前级部分。捷克共和国的ELI-Beamlines项目将致力于粒子加速和高能密度等离子体物理的研究。 这套激光系统在交货前将首先在德克萨斯州的奥斯汀完成组装测试，然后在ELI-Beamlines项目现场安装调试，并将在2017年完成。 National Energetics公司的董事长Todd Ditmire说：“National Energetics非常骄傲能够带领这个团队获得这个既刺激又具挑战性的激光器项目合同。这台激光器将提高目前实验室内激光技术所观测到的峰值功率的上限。这些技术在峰值功率和高能重复频率方面的提高将是引人注目的，毫无疑问，这在某些高能超快激光系统的未来发展中将会产生重要的影响。” Ekspla公司的首席执行官Kestutis Jasiunas提到：“我们非常高兴有机会参与创造10倍于目前能量强度的激光器系统，这将给科研工作者带来了新的机会，同时也鼓舞我们制造商迈向新的技术领域。”关于极端光基础设施光束项目（ELI-Beamlines）： 极端光基础设施光束项目（Extreme Light Infrastructure Beamlines facility，ELI-Beamlines）是欧盟和捷克政府投资70亿捷克克朗（约$350 million）的一个项目。是欧洲ELI项目的三大支柱之一，其他两个项目位于匈牙利的塞格德和罗马尼亚的布加勒斯特。关于领先（National Energetics）公司： National Energetics是美国的激光器制造商，是高能超强激光器系统发展的领头羊，主要产品包括啁啾放大激光器和高能、高平均功率脉冲激光器系统。关于艾克斯玛（EKSPLA）公司： Ekspla是立陶宛的激光器、激光系统及激光部件的制造商，拥有20多年的设计生产经验，公司致力于高能激光系统、可调谐波长激光器、激光器电源及光电产品方面的高性能先进解决方案。

近日，大连化物所大连光源科学研究室(二十五室)杨学明院士团队成功研制了光阴极直流高压电子枪和驱动激光系统，标志着大连先进光源预研项目研制工作攻克了又一项关键核心技术。直流高压电子枪系统与驱动激光系统是大连先进光源预研项目中的两大核心系统，其主要用途在于获得高品质电子束源，从而为产生高亮度、高重复频率极紫外自由电子激光提供支撑。经过3年多的协同攻关，团队成功完成了这两大系统的研制，并开展了初步调试工作，顺利实现了连续波模式下一兆赫兹(1MHz)重复频率、100皮库(pC)单脉冲电荷量、330千电子伏特(keV)能量的预期目标。这两大系统的研制和调试成功，不仅打通了技术壁垒，还锻炼了技术队伍，为未来基于连续波超导加速器技术的大连先进光源项目建设打下了坚实的基础。 　　该成果得到了大连先进光源预研项目的支持。