基本信息
- 项目名称：
- 可编程多功能激光器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 基于不同应用场合对激光器参数的不同需求以及现有激光器参数固定的现状，我们设计和制作了可编程多功能激光器。可编程多功能激光器采用全光纤器件搭建，利用FPGA调制，通过人机接口实现输出光束特性参数的在线编程控制。我们已制作出一台完整的可编程多功能激光器，参数范围是重复频率~10Hz-~100MHz，脉宽~10ms-~100ps，激光线宽1MHz-500MHz，其可广泛应用于工程和科研等领域。
- 详细介绍：
- 自1960年美国休斯实验室的梅曼发明第一台红宝石激光器以来，激光科学技术在50多年内以其强大的生命力谱写了一部典型的交叉学科发明创造史。激光的应用已经遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领域，如信息光电子技术、激光医疗、激光加工、激光雷达等，飞速推动经济、社会发展。 激光技术的不同应用领域对激光器的时域输出特性有着不同的要求。如激光测温雷达、激光医疗行业一般需要脉宽为微秒量级的脉冲激光，激光微加工（如激光打孔、太阳能电池生产等）领域一般需要脉宽为纳秒量级的脉冲激光，在超高速光通信、超精密计量等领域则需要脉宽为皮秒、飞秒甚至更短的超短脉冲激光。不仅如此，不同的应用场合还对输出激光的重复频率、激光光谱宽度（简称谱宽）有特定的要求。目前广泛应用的各种激光器大都根据实际应用的需要进行“量身定制”，脉宽、重复频率、线宽、波形等物理参数特定或者调节范围有限，通用性不强，使得在科研、医疗、工业等领域应用激光技术需要较高的购置和使用成本。不仅如此，激光谱宽的控制在激光技术领域至今还是难以攻克的“瓶颈”。因此，如能研制出一台输出激光特性任意可控的激光器，那么将极大地提高激光器的通用性，便于批量研发制作，极大地降低研发和生产成本，提高使用效益。 基于以上研究背景，我们提出可编程多功能激光器这一新颖的激光器概念，利用一台激光器满足各个应用领域的不同需求。充分借鉴现代数字技术和自动控制技术的有关研究成果，并将其应用到激光器的系统结构中，实现一台激光器输出光束特性的在线编程控制，使其具备“一机多用”的功能。该激光器在时域特性方面实现连续波输出、锁模脉冲自由切换运行，波形、脉宽、重复频率等参数可调；在频域特性方面实现线宽任意可控。其波形、脉宽、重复频率可控的特性可广泛应用于激光加工、激光表演、激光医疗等领域；其线宽可控的特性可应用于非线性效应研究等科研领域。 激光器的种类有很多，如气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器等。我们选用光纤激光器作为可编程多功能激光器的实现载体，这是因为与其他类型的激光器相比，光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑、成本低廉等优势，并且在光纤通信普及过程中配套产生的几种器件（如波导结构的相位调制器、强度调制器等）使得激光器和数字信号源的高速通信成为了可能。基于以上考虑，本项目选择光纤激光器作为实现载体。 可编程多功能激光器的设计思路是：在调相调频激光器基本原理的基础上，搭建一台驻波腔结构的光纤激光器，利用腔内、腔外复合调制实现激光光束输出特性的在线编程控制。首先，在光纤激光器的腔内加入相位调制器PM-1，当无相位调制时，输出激光为连续状态，当在相位调制器PM-1上施加不同特性的调制信号时，可以分别实现锁模和调Q激光输出；其次，利用双光束干涉进行腔外调制：激光输出后，进入一个全保偏光纤器件构成的M-Z干涉仪中，干涉仪的一臂上放置一个相位调制器PM-2，干涉光束通过光纤耦合器输出，当无相位调制时，激光器输出的光直接通过腔外相位调制器PM-2输出，波形不发生变化；当在相位调制器PM-2上施加调制信号时，输出激光波形发生相应变化。在此基础上，利用FPGA自行设计和制作信号发生器，通过单片机及其相应的接口与激光器进行通信，分别对激光器进行腔内和腔外调制，可以根据用户实际需要，编写对应的程序，实现激光光束特性的任意可控输出。 为消除环境噪声对激光器稳定性的影响，我们设计闭环控制回路，采集输出激光的部分信号作为控制系统的信息源，与腔外相位调制部分的调制信号进行比较，通过单片机对外界噪声进行测算并加以补偿，消除环境噪声对系统的干扰。 另外，由于构建激光器谐振腔的光纤布拉格光栅承受功率有限，对于某些高功率应用场合，采用光纤级联放大的方式实现可编程多功能激光器的高功率输出。由于级联放大引入的极高激光功率密度会造成输出波形的畸变和失真，我们通过在腔外相位调制器施加预补偿进行校正。 通过以上设计思路，实现激光器输出光束连续、锁模脉冲自由切换运行，时域波形、重复频率、脉宽、占空比一定范围内任意可调，实现频域方面线宽可控，并能实现激光器稳定、高功率输出。因而使得这样一台“可编程多功能激光器”可应用到工业加工、生物医疗以及科学研究等诸多领域，极大地提高了激光器的通用性，降低了激光器的研发和生产成本；且由于可编程多功能激光器基于光纤激光器实现，因而具备了光纤激光器结构紧凑、便于集成的优势，使可编程多功能激光器便于批量研发生产，从而向商业化方向推进，具有极高的经济效益和实用价值。 本项目的创新点在于： 1、根据调相调频激光器的基本原理，综合采用腔内、腔外相位调制的方式，实现激光器输出光束的波形、重复频率、脉宽、占空比等在较大范围内任意可调，并且输出激光的谱宽可控，使激光器具备“一机多用”的功能，极大地提高激光器的通用性，降低研发和生产成本。 2、选用光纤激光器作为实现载体，充分利用光纤器件成本低、结构轻巧等特点，使得可编程多功能激光器具备结构紧凑、便于批量研发生产的优势。 3、在高功率激光应用场合，根据输出激光波形的失真情况，采用预补偿的技术实现波形的自适应校正，使得激光器具备自学习的功能。 本项目实现的可编程多功能激光器主要技术指标为： 时域波形：常见波形（正弦、三角、矩形）和用户设置任意波形 重复频率：~10Hz-~100MHz 脉宽：~10ms-~100ps 占空比：0-1 激光线宽：1MHz-500MHz 激光器尺寸：0.3m×0.3m×0.2m 本项目研制的可编程多功能激光器可以广泛应用于激光测距、激光雷达、激光制导和导航、指纹观察、毒品分析等军事/公共安全领域，临床医疗、材料处理、工业加工等民用领域以及非线性频率变换等科研领域。具体说来，可以推广应用的典型场合有： 1、激光加工：激光在材料加工领域具有极强的生命力。与传统的非激光加工相比，激光加工在加工灵活性和加工效果等方面均具有明显优势。本项目研制的可编程多功能激光器在重复频率、脉宽等方面能够满足不同的部件加工对激光器输出光束的性能要求。 2、激光医疗：随着激光技术研究和激光医疗诊断水平的不断提高，应用激光可治疗300多种疾病。以激光碎石为例，碎石过程所需的时间和效果与激光器的重复频率、脉宽有直接联系。本项目研制的可编程多功能激光器可为上述过程提供灵活可控的光源。 3、科学研究：在科研机构，不同的科研课题通常对激光器的性能有着截然不同的要求。通过非线性频率转换获得的激光在军事、生物等领域有广泛的应用，然而激光的线宽、脉宽、重复频率等参数对非线性频率转换的效果有直接的影响。本项目研制的可编程多功能激光器可以为非线性频率转换提供线宽可调、脉冲宽度在皮秒级、微秒级的可控光源。 可编程多功能激光器以其输出光束特性任意可控的卓越性能使一台激光器能够完成多台激光器的功能，从而满足以上不同场合的需求。极大地降低了研发和生产成本，便于批量生产，具有极高的经济效益和实用价值。 本作品已获得的成果和奖励如下： 1.本项目已提出专利申报。专利名称：一种具有自学习功能的光纤激光器，申报号:201110011202.2,申报日期:2011年5月17日 2.作品研究过程中形成的技术文档《时域特性可控的脉冲光纤激光器》和《High-average power, low-repetition frequency ns pulsed fiber laser》已经分别投往2011年中国光学大会和SCI源刊《Applied Physics B》 3.作品获得学院2011年度课外科技创新活动特等奖 4.作品获得2011年学校举行的“挑战杯”选拔赛一等奖（未设特等奖） 5.作品获得2011年省级大学生创新实践项目资助 6.项目组已经与国内相关专业研发单位达成合作意向：关键技术通过技术转让的方式转让给光库通讯（珠海）有限公式进行整机封装、调试；通过标准化测试后，交由上海瀚宇光纤通信技术有限公司进行量化生产和推广。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、设计目的及思路 为解决目前现有的各种激光器物理参数固定，通用性不强的问题，本项目提出可编程多功能激光器这一新颖激光器概念。基于调相调频激光器，搭建一台驻波腔结构的光纤激光器作为腔内相位调制模块，同时运用光束干涉原理，搭建腔外相位调制模块，通过对相位调制器PM1和PM2的调制，可分别实现激光连续波、锁模脉冲和任意波形的激光输出。可编程多功能激光器通过光纤级联放大的方式实现高功率输出，并设计闭环控制回路来解决由环境噪声和极高功率密度造成的波形失真问题。 二、创新点 1.根据调相调频激光器的基本原理，采用腔内腔外复合调制的方式，实现激光器波形、重频、脉宽、占空比等较大范围内可控的任意波形激光输出，并且输出激光的谱宽可控，实现了激光器“一机多用”的功能，极大地提高激光器的通用性，降低研发和生产成本。 2.选用光纤激光器作为实现载体，充分利用光纤器件成本低、结构轻巧等特点，使得可编程多功能激光器具备结构紧凑、便于批量研发生产的优势。 3.在高功率激光应用场合，根据输出激光波形的失真情况，采用预补偿的技术实现波形的自适应校正，使得激光器具备自学习的功能。 三、技术关键 1.任意波形的产生； 2.环境噪声对激光性能的影响。 四、主要技术指标 时域波形：常见波形（如三角波、方波、正弦波）和用户设置任意波形； 重复频率：10Hz-100MHz； 脉宽：10ms-100ps； 激光线宽：1MHz-500MHz
科学性、先进性
- 目前脉冲激光产生方案有：调Q、锁模、倒腔、泵浦电流调制等。尽管现有方案都能够实现脉冲激光输出，但对时域特性的可控性差，大都只能满足特定应用领域的需求。可编程多功能激光器作为一种新型激光器，其输出光束特性可以实现在线编程控制。其时域方面可实现连续波、锁模脉冲自由切换运行，波形、脉宽、重频等参数可调；频域方面可实现线宽任意可控。选用光纤激光器作为实现载体，充分利用光纤器件成本低、结构轻巧等优势，使其具备结构紧凑、便于批量研发生产的优势。通过系统集成、封装，可编程多功能激光器可向商业化方向推进。最终使其具备“一机多用”的功能，极大地提高激光器的性能，节约成本和空间，为工程应用和科学研究提供便利。 作品研究过程中形成的技术文档《时域特性可控的脉冲光纤激光器》和《High-average power,low-repetition frequency ns pulsed fiber laser》已经分别投往2011年中国光学大会和SCI源刊《Applied Physics B》。
获奖情况及鉴定结果
- 作品获得学院2011年课外科技创新活动特等奖 作品获得2011年学校举行的“挑战杯”选拔赛一等奖（未设特等奖） 作品获得2011年省级大学生创新实践项目资助
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 项目组已与光库通讯（珠海）有限公司和上海瀚宇光纤通信技术有限公司达成合作意向，有实际性的进展。
作品可展示的形式
- ■实物、产品 □模型图纸 □磁盘 ■现场演示 ■图片 ■录像 □样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本项目将制作一台输出光束特性可以在线编程控制的新型激光器。通过人机交互界面，输入期望的激光特性参数（如波形、重复频率、脉宽、占空比等），再经由本项目提出的腔内-腔外复合调制的方式，实现激光的在线编程可控输出。本项目研制的可编程多功能激光器具备“一机多用”的功能，极大地提高了激光器的通用性，使其便于批量研发生产，降低激光器的研发和使用成本；不仅如此，可编程多功能激光器基于光纤激光器件实现，结构紧凑，体积轻便，便于实验研究和工程应用。 本项目研制的可编程多功能激光器可以广泛应用于激光测距、激光雷达、激光制导和导航、指纹观察、毒品分析等军事/公共安全领域，临床医疗、材料处理、工业加工等民用领域以及非线性频率变换等科研领域。 可编程多功能激光器以其输出光束特性任意可控的卓越性能使一台激光器能够完成多台激光器的功能，从而满足以上不同场合的需求。极大地降低了研发和生产成本，便于批量生产，具有极高的经济效益和实用价值。
同类课题研究水平概述
- 在激光技术领域，产生脉冲激光的方案主要有：调Q、锁模、倒腔、泵浦电流调制等。尽管现有方案都能够实现脉冲激光的激光输出，但是对时域特性(波形，重频、脉宽、占空比)的可控性较差，大都只能实现某一特定参数的控制和调节。 可编程多功能激光器基于能够实现信号高速通信的光纤激光器实现，其实现了本世纪六十年代国外提出而未能实现的调相调频激光器，并将其作为腔内调制模块，与腔外调制模块相结合，对输出光束特性进行在线编程控制，由此提出了激光器“可编程”的概念。 与本项目研制的激光器性能最为接近的当属泵浦电流直接调制的半导体激光器。半导体激光器采用简单的注入电流的方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成，获得高速调制的激光输出。本项目研制的可编程多功能激光器输出光束特性与之相比存在以下优势：第一、直接调制半导体激光器的输出特性直接决定于电学的信号源，而本项目的脉冲输出机理来源于光学调制，因此可以获得脉宽更窄的超短脉冲输出；第二，直接调制的半导体激光器输出功率受限，无法应用于激光加工、激光医疗等高功率应用场合，本项目研制的可编程多功能激光器与光纤放大器有良好的兼容性，通过级联放大的方式即可获得高功率输出，满足特定场合的需求；第三，直接调制的半导体激光器激光谱宽不可控制，无法用于非线性频率转换等对谱宽有特定需求的领域。因此，与直接调制的半导体激光器相比，本项目研制的可编程多功能激光器在脉宽、谱宽、功率、光束质量等方面具有明显优势。 本项目系大学生课外科技活动成果，于2010年10月20日正式立项启动，参加学院组织的课外科技活动作品初选。2011年1月通过学院组织的专家初审并获资助。根据目前公开发表的科技文献查询结果，可编程多功能激光器的概念及功能为本项目首次提出。2010年12月1日，著名的激光杂志《Laser Focus World》刊登了加拿大Genia Photonic公司提出的可编程光纤激光器的论文，这是国际上对可编程激光器概念和设计思路的首次报道。该方案主要通过腔内调制的方式实现激光输出特性的可控操作。本项目在设计思想上综合考虑了腔内调制和腔外调制相结合的方案，输出波形可以根据实际需要在腔外进行裁剪，且激光谱宽可控，因此比Genia Photonic公司方案的可控性更强。国内目前尚无相关文献报道。
