在美國(guó)以及世界各地的學(xué)術(shù)界以及政府和產(chǎn)業(yè)實(shí)驗(yàn)室所從事的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究工作表明，超短脈沖激光器(USPLs)的廣泛應(yīng)用具有重大前途。正如光學(xué)工程期刊最近列舉的一個(gè)特殊例子，這些應(yīng)用涵蓋了從基本科學(xué)研究探索基本物理和各種化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)、光與物質(zhì)相互作用、大多數(shù)材料相互作用和先進(jìn)制造技術(shù)。
圖1不同激光脈沖類型下的材料加工對(duì)比
圖2USPL組件及性能目標(biāo)藍(lán)圖
正如其他人注意到的，超短脈沖與物質(zhì)相互作用在時(shí)間尺度上會(huì)產(chǎn)生非熱效應(yīng)。對(duì)于基礎(chǔ)物理和化學(xué)研究，脈沖的性質(zhì)允許研究人員探測(cè)詳細(xì)動(dòng)力學(xué)以及光子吸收和化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)、并提供一種可以在頻譜和時(shí)間領(lǐng)域調(diào)整的寬帶源。對(duì)于散裝材料的相互作用，已表明超短脈沖可以用于刪除各種材料減少或消除熱影響區(qū)域的問題。反過來，這也幫助激光器制造商開發(fā)先進(jìn)的制造技術(shù)用于工業(yè)生產(chǎn)過程。
使USPL源從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化變成制造產(chǎn)品的一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)者是USPL技術(shù)的商業(yè)化。從2006年開始，美國(guó)國(guó)防部，特別是美國(guó)海軍，發(fā)起了一項(xiàng)超短脈沖激光技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目將USPL系統(tǒng)分解為可以獨(dú)立追蹤和改善的子系統(tǒng)和部件，部件的增量和革命性改進(jìn)引發(fā)USPL能力的顯著進(jìn)步以及總體技術(shù)成熟度。
該報(bào)告總結(jié)了項(xiàng)目，包括如下內(nèi)容：概述推動(dòng)USPL源的動(dòng)機(jī)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)商業(yè)應(yīng)用如機(jī)械制造的實(shí)際意義；簡(jiǎn)要概述USPL系統(tǒng)構(gòu)架和關(guān)鍵部件整體性能；概述這些部件的實(shí)際科技發(fā)展技術(shù)，最后，簡(jiǎn)要總結(jié)該項(xiàng)目取得的幾個(gè)顯著技術(shù)成果。
1.動(dòng)機(jī)
為什么是超短脈沖激光器？
超短脈沖激光器是產(chǎn)生飛秒量級(jí)(10-15s)光脈沖的的設(shè)備。產(chǎn)生這些脈沖的設(shè)備通常稱為模式鎖定激光器——激光源所有共同相位的縱向模式振蕩。結(jié)果，超短振蕩器產(chǎn)生的這些脈沖的重復(fù)頻率與激光腔的往返時(shí)間相關(guān)(通常為兆赫茲的10’s~100’s)，時(shí)域脈沖持續(xù)時(shí)間(即脈沖寬度)由激光器的光譜含量的傅里葉變換給出。
USPL系統(tǒng)可以在不產(chǎn)生過大熱影響區(qū)的條件下實(shí)施材料加工，圖1給出了區(qū)別。
如圖1所示，對(duì)比于連續(xù)波或納秒脈沖源，高精度打孔或切割的應(yīng)用使用USPL源將大大獲益。隨著加工材料靈敏度的變化，也很有必要使用USPL源。例如許多先進(jìn)玻璃、聚合物和介電材料對(duì)于熱高度敏感，當(dāng)被加熱時(shí)易變脆，甚至在很小程度上。
圖1不同激光脈沖類型下的材料加工對(duì)比
目前技術(shù)
USPL源的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室都是基于閃光燈泵浦摻鈦藍(lán)寶石晶體，實(shí)現(xiàn)多級(jí)放大，產(chǎn)生的脈沖寬度為10~100fs，脈沖能量為幾微焦。備用波長(zhǎng)可由二極管泵浦鉺玻璃或晶體(1.5微米)或者摻雜鐿玻璃或晶體(1微米)。各種非線性轉(zhuǎn)換過程可以產(chǎn)生更長(zhǎng)或更短的波長(zhǎng)。傳統(tǒng)上，由于較差的耐用性(所造成的機(jī)械振動(dòng)不穩(wěn)定性)和對(duì)環(huán)境的敏感性這些大型固態(tài)系統(tǒng)不適合工業(yè)應(yīng)用。從系統(tǒng)的角度來看，大多數(shù)的耐用性和環(huán)境敏感性問題都可以追溯到自由空間光學(xué)架構(gòu)上?？煽啃?、可維護(hù)性、模塊化——對(duì)所有商用激光器系統(tǒng)的高度期望的屬性，常常與給定激光系統(tǒng)內(nèi)的自由空間光學(xué)元件的數(shù)量是負(fù)相關(guān)的。
2.海軍技術(shù)發(fā)展項(xiàng)目
目標(biāo)
海軍的技術(shù)發(fā)展項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)能夠制造高性能、結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧的USPL系統(tǒng)的總體架構(gòu)及其組件，系統(tǒng)工作在數(shù)毫焦脈沖能量、亞皮秒脈沖持續(xù)時(shí)間、10~100kHz重復(fù)頻率，運(yùn)行波長(zhǎng)為1.5微米，可以通過計(jì)算機(jī)軟件控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙感操作。由于光纖對(duì)環(huán)境條件(包括溫度、濕度和沖擊/振動(dòng))的相對(duì)不敏感性，首選的技術(shù)發(fā)展路線是基于光纖的，盡管大尺寸布拉格光柵展寬和壓縮機(jī)技術(shù)是興趣點(diǎn)，由于在尺寸和重量節(jié)省方面取得了革命性的進(jìn)步。
高脈沖能量和亞皮秒脈沖持續(xù)時(shí)間的基本原理是顯而易見的，更高的峰值功率可以實(shí)現(xiàn)更高效的機(jī)械加工。選擇1.5微米波長(zhǎng)是因?yàn)樗砹酥屑t外波長(zhǎng)并且是“人眼安全”的波長(zhǎng)范圍。此外，有人認(rèn)為摻鉺光纖系統(tǒng)在上世紀(jì)取得的進(jìn)步有利于推動(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展。
海軍SBIR項(xiàng)目
美國(guó)國(guó)防部的一小部分預(yù)算是預(yù)留給小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃的。一年幾次，每個(gè)國(guó)防部部門都會(huì)公布可獲得資助的研究課題。從2006~2007年開始持續(xù)到2013年，美國(guó)海軍發(fā)布了9個(gè)不同的研究主題涵蓋整個(gè)USPL系統(tǒng)鏈(見下文)。從這些主題簽發(fā)了幾十個(gè)合同給小企業(yè)，推動(dòng)了USPL技術(shù)最先進(jìn)發(fā)展。
正如上面提到的，美國(guó)海軍USPL技術(shù)發(fā)展規(guī)劃認(rèn)識(shí)到有必要解決USPL產(chǎn)生和放大過程的每一步。計(jì)劃遠(yuǎn)景為每個(gè)元素描繪了一個(gè)或多個(gè)主題，如圖2所示。
圖2USPL組件及性能目標(biāo)藍(lán)圖
具體來說，研究主題包括光纖放大器技術(shù)和材料開發(fā)、緊湊壓縮機(jī)技術(shù)開發(fā)、光纖傳輸技術(shù)開發(fā)、脈沖相位壓縮技術(shù)及技術(shù)開發(fā)。
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