国产激光武器，超快激光系统

文| 林庆成、郭晓阳深圳科技大学深圳科技大学飞秒激光是指脉冲宽度约为飞秒（10^-15秒）的激光，其峰值功率非常高，持续时间也很长。因为短，所以被广泛使用。如图1所示，在3C产业（包括计算机、通信、消费电子）、增材制造、精准医疗、微纳制造、超快传感等领域有着广阔的应用前景。超快激光器（包括飞秒和皮秒）的市场规模每年都以比整个激光行业增速快数倍的速度增长，根据《2021中国激光产业发展报告》的数据，国内超过25家企业已在寻找期待在这个领域工作。 2020年将开始超快激光器的研发和生产，预计2021年国内超快激光器市场规模将突破31亿元。

图1 飞秒激光器的应用领域啁啾脉冲放大（CPA）技术是当前工业飞秒激光技术的主流，其基本原理如图2所示，振荡器输出的飞秒脉冲经过展宽器后能量得到增强通过脉宽展宽放大器，使用压缩器将脉冲压缩至飞秒级别，从而产生高能量、高功率的飞秒激光脉冲。

图2 啁啾脉冲放大（CPA）原理示意图展宽器有多种类型，常见的是基于平面光栅对（或等效光栅对）的Offner或Martinez展宽器，包括啁啾布拉格光栅。 （啁啾光纤布拉格光栅，CFBG）、单模光纤等，性能与成本比较如表1所示。 CFBG具有展宽大、压缩性好、尺寸小、成本低等综合优势，是超快激光器的必备器件。国内一些科研院所和企业正在投入研发，但目前主要从加拿大Terraxion进口，由于价格高、供货周期长，不适合大规模应用。更重要的是，面对百年未有之大变局，国际形势动荡，关键零部件依赖进口，存在陷入僵局的风险。

表1 各种担架的比较

为本土化鉴定超快激光器关键部件，突破CFBG器件的技术瓶颈，深圳科技大学科研团队在国家自然科学基金委和深圳市高层次人才工程的支持下，采用了积极构建的CFBG写入系统并取得了初步成果。 CFBG写入原理图3是CFBG写入原理示意图，激光器输出的紫外激光经过空间滤波和光束整形，滤除高阶模和杂散光，得到相对纯净、均匀的光束。扩束系统提供所需光斑尺寸的平行光束；平行光束后安装变迹控制模块，实现变迹功能；平行光束经过变迹控制模块后，经平凸透镜分割后通过通过柱面透镜到达相位模板，形成相位模板的1阶衍射干涉，将干涉条纹照射到载有氢的光敏光纤上，并将干涉条纹施加到纤芯上。照射一定时间后，折射率会发生变化。亮条纹照射点处的折射率增大，明暗条纹在纤芯内相应调制，形成布拉格光栅。

图3 CFBG写入原理示意图，CFBG写入系统参考了上述写入原理，图4为深圳理工大学研发的CFBG写入系统，该系统包括六个模块，分别是UV激光器模块、UV光路模块、相位模板、光纤加持模块、自动控制模块、在线检测模块。其中，自动控制模块通过设置光开关自动控制写入过程中激光照射时间，并在紫外照射过程中实现光束沿相位模板和光纤扫描。高精度电动平移台的编程控制可以精确调节光束扫描速度、加速度、行进距离等，从而可以调节CFBG的调制深度和变迹功能，使实际测量变得更加容易。为了对光栅写入进度进行时间监控，配置了由1030 nm波段保偏ASE光源、光谱仪、消光比测试仪和分光元件组成的在线检测模块。

图4 CFBG拉丝系统（上图）拉丝装置，（下图）拉丝装置结构图CFBG拉丝结果基于上述CFBG拉丝系统制作原型样品，图5（a）为CFBG样品雕刻后的照片b) 是CFBG 样品的光谱和色散参数。中心波长为1030.65 nm，光谱带宽为11.7 nm（半峰全宽）。

图5 (a) CFBG样品照片，(b) CFBG样品的光谱和色散参数构建了全光纤CPA系统，光纤锁模振荡器的输出参数为重复频率~40 MHz和平均功率10 mW ，中心波长1033 nm，~脉冲宽度3 ps。通过CFBG 后，脉冲宽度加宽至约130 ps。经过隔离器保护后，进入第一级光纤放大器，然后进入Tracy型。双光栅（透射光栅）压缩器，光栅线数为1000条/mm，入射角为利特罗角，光栅斜距约为1 m，脉宽压缩测试结果如图6所示。宽度为539 fs，脉冲干净且无旁瓣。这初步证明了该CFBG适合在超快激光领域应用的可行性。

图6 CPA系统压缩后脉冲波形概览自主研发的CFBG写入系统成功写入CFBG样本，并首次应用于全光纤CPA系统。未来系统将持续优化。为了实现可控的高阶色散和可调谐的波长，缩放、光电集成和小型化是重要的目标。虽然我很卑微，但我不打算忘记我的祖国，我仍然要努力奋斗，取得成功。我愿与国内同仁一道，为我国高端产品装备主要零部件的自主化尽一份绵薄之力。关于作者林庆庆是深圳科技大学物理与工程学院实验员，从事激光相关光纤器件的研发工作。郭晓阳先生，深圳技术大学工程学院物理系副教授，从事超高功率、超短激光技术、高重频固体激光器的开发与应用研究。国家激光技术。超快速非线性变频技术。