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基于不同應(yīng)用場合對激光器參數(shù)的不同需求以及現(xiàn)有激光器參數(shù)固定的現(xiàn)狀，我們設(shè)計和制作了可編程多功能激光器。可編程多功能激光器采用全光纖器件搭建，利用FPGA調(diào)制，通過人機接口實現(xiàn)輸出光束特性參數(shù)的在線編程控制。我們已制作出一臺完整的可編程多功能激光器，參數(shù)范圍是重復頻率~10Hz-~100MHz，脈寬~10ms-~100ps，激光線寬1MHz-500MHz，其可廣泛應(yīng)用于工程和科研等領(lǐng)域。

自1960年美國休斯實驗室的梅曼發(fā)明第一臺紅寶石激光器以來，激光科學技術(shù)在50多年內(nèi)以其強大的生命力譜寫了一部典型的交叉學科發(fā)明創(chuàng)造史。激光的應(yīng)用已經(jīng)遍及科技、經(jīng)濟、軍事和社會發(fā)展的許多領(lǐng)域，如信息光電子技術(shù)、激光醫(yī)療、激光加工、激光雷達等，飛速推動經(jīng)濟、社會發(fā)展。
激光技術(shù)的不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)す馄鞯臅r域輸出特性有著不同的要求。如激光測溫雷達、激光醫(yī)療行業(yè)一般需要脈寬為微秒量級的脈沖激光，激光微加工（如激光打孔、太陽能電池生產(chǎn)等）領(lǐng)域一般需要脈寬為納秒量級的脈沖激光，在超高速光通信、超精密計量等領(lǐng)域則需要脈寬為皮秒、飛秒甚至更短的超短脈沖激光。不僅如此，不同的應(yīng)用場合還對輸出激光的重復頻率、激光光譜寬度（簡稱譜寬）有特定的要求。目前廣泛應(yīng)用的各種激光器大都根據(jù)實際應(yīng)用的需要進行“量身定制”，脈寬、重復頻率、線寬、波形等物理參數(shù)特定或者調(diào)節(jié)范圍有限，通用性不強，使得在科研、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用激光技術(shù)需要較高的購置和使用成本。不僅如此，激光譜寬的控制在激光技術(shù)領(lǐng)域至今還是難以攻克的“瓶頸”。因此，如能研制出一臺輸出激光特性任意可控的激光器，那么將極大地提高激光器的通用性，便于批量研發(fā)制作，極大地降低研發(fā)和生產(chǎn)成本，提高使用效益。
基于以上研究背景，我們提出可編程多功能激光器這一新穎的激光器概念，利用一臺激光器滿足各個應(yīng)用領(lǐng)域的不同需求。充分借鑒現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)和自動控制技術(shù)的有關(guān)研究成果，并將其應(yīng)用到激光器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)一臺激光器輸出光束特性的在線編程控制，使其具備“一機多用”的功能。該激光器在時域特性方面實現(xiàn)連續(xù)波輸出、鎖模脈沖自由切換運行，波形、脈寬、重復頻率等參數(shù)可調(diào)；在頻域特性方面實現(xiàn)線寬任意可控。其波形、脈寬、重復頻率可控的特性可廣泛應(yīng)用于激光加工、激光表演、激光醫(yī)療等領(lǐng)域；其線寬可控的特性可應(yīng)用于非線性效應(yīng)研究等科研領(lǐng)域。
激光器的種類有很多，如氣體激光器、固體激光器、半導體激光器、光纖激光器等。我們選用光纖激光器作為可編程多功能激光器的實現(xiàn)載體，這是因為與其他類型的激光器相比，光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉等優(yōu)勢，并且在光纖通信普及過程中配套產(chǎn)生的幾種器件（如波導結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制器、強度調(diào)制器等）使得激光器和數(shù)字信號源的高速通信成為了可能?；谝陨峡紤]，本項目選擇光纖激光器作為實現(xiàn)載體。
可編程多功能激光器的設(shè)計思路是：在調(diào)相調(diào)頻激光器基本原理的基礎(chǔ)上，搭建一臺駐波腔結(jié)構(gòu)的光纖激光器，利用腔內(nèi)、腔外復合調(diào)制實現(xiàn)激光光束輸出特性的在線編程控制。首先，在光纖激光器的腔內(nèi)加入相位調(diào)制器PM-1，當無相位調(diào)制時，輸出激光為連續(xù)狀態(tài)，當在相位調(diào)制器PM-1上施加不同特性的調(diào)制信號時，可以分別實現(xiàn)鎖模和調(diào)Q激光輸出；其次，利用雙光束干涉進行腔外調(diào)制：激光輸出后，進入一個全保偏光纖器件構(gòu)成的M-Z干涉儀中，干涉儀的一臂上放置一個相位調(diào)制器PM-2，干涉光束通過光纖耦合器輸出，當無相位調(diào)制時，激光器輸出的光直接通過腔外相位調(diào)制器PM-2輸出，波形不發(fā)生變化；當在相位調(diào)制器PM-2上施加調(diào)制信號時，輸出激光波形發(fā)生相應(yīng)變化。在此基礎(chǔ)上，利用FPGA自行設(shè)計和制作信號發(fā)生器，通過單片機及其相應(yīng)的接口與激光器進行通信，分別對激光器進行腔內(nèi)和腔外調(diào)制，可以根據(jù)用戶實際需要，編寫對應(yīng)的程序，實現(xiàn)激光光束特性的任意可控輸出。
為消除環(huán)境噪聲對激光器穩(wěn)定性的影響，我們設(shè)計閉環(huán)控制回路，采集輸出激光的部分信號作為控制系統(tǒng)的信息源，與腔外相位調(diào)制部分的調(diào)制信號進行比較，通過單片機對外界噪聲進行測算并加以補償，消除環(huán)境噪聲對系統(tǒng)的干擾。
另外，由于構(gòu)建激光器諧振腔的光纖布拉格光柵承受功率有限，對于某些高功率應(yīng)用場合，采用光纖級聯(lián)放大的方式實現(xiàn)可編程多功能激光器的高功率輸出。由于級聯(lián)放大引入的極高激光功率密度會造成輸出波形的畸變和失真，我們通過在腔外相位調(diào)制器施加預補償進行校正。
通過以上設(shè)計思路，實現(xiàn)激光器輸出光束連續(xù)、鎖模脈沖自由切換運行，時域波形、重復頻率、脈寬、占空比一定范圍內(nèi)任意可調(diào)，實現(xiàn)頻域方面線寬可控，并能實現(xiàn)激光器穩(wěn)定、高功率輸出。因而使得這樣一臺“可編程多功能激光器”可應(yīng)用到工業(yè)加工、生物醫(yī)療以及科學研究等諸多領(lǐng)域，極大地提高了激光器的通用性，降低了激光器的研發(fā)和生產(chǎn)成本；且由于可編程多功能激光器基于光纖激光器實現(xiàn)，因而具備了光纖激光器結(jié)構(gòu)緊湊、便于集成的優(yōu)勢，使可編程多功能激光器便于批量研發(fā)生產(chǎn)，從而向商業(yè)化方向推進，具有極高的經(jīng)濟效益和實用價值。

本項目的創(chuàng)新點在于：
1、根據(jù)調(diào)相調(diào)頻激光器的基本原理，綜合采用腔內(nèi)、腔外相位調(diào)制的方式，實現(xiàn)激光器輸出光束的波形、重復頻率、脈寬、占空比等在較大范圍內(nèi)任意可調(diào)，并且輸出激光的譜寬可控，使激光器具備“一機多用”的功能，極大地提高激光器的通用性，降低研發(fā)和生產(chǎn)成本。
2、選用光纖激光器作為實現(xiàn)載體，充分利用光纖器件成本低、結(jié)構(gòu)輕巧等特點，使得可編程多功能激光器具備結(jié)構(gòu)緊湊、便于批量研發(fā)生產(chǎn)的優(yōu)勢。
3、在高功率激光應(yīng)用場合，根據(jù)輸出激光波形的失真情況，采用預補償?shù)募夹g(shù)實現(xiàn)波形的自適應(yīng)校正，使得激光器具備自學習的功能。

本項目實現(xiàn)的可編程多功能激光器主要技術(shù)指標為：?
時域波形：常見波形（正弦、三角、矩形）和用戶設(shè)置任意波形 ?
重復頻率：~10Hz-~100MHz ?
脈寬：~10ms-~100ps ?
占空比：0-1 ?
激光線寬：1MHz-500MHz ?
激光器尺寸：0.3m×0.3m×0.2m

本項目研制的可編程多功能激光器可以廣泛應(yīng)用于激光測距、激光雷達、激光制導和導航、指紋觀察、毒品分析等軍事/公共安全領(lǐng)域，臨床醫(yī)療、材料處理、工業(yè)加工等民用領(lǐng)域以及非線性頻率變換等科研領(lǐng)域。具體說來，可以推廣應(yīng)用的典型場合有：
1、激光加工：激光在材料加工領(lǐng)域具有極強的生命力。與傳統(tǒng)的非激光加工相比，激光加工在加工靈活性和加工效果等方面均具有明顯優(yōu)勢。本項目研制的可編程多功能激光器在重復頻率、脈寬等方面能夠滿足不同的部件加工對激光器輸出光束的性能要求。
2、激光醫(yī)療：隨著激光技術(shù)研究和激光醫(yī)療診斷水平的不斷提高，應(yīng)用激光可治療300多種疾病。以激光碎石為例，碎石過程所需的時間和效果與激光器的重復頻率、脈寬有直接聯(lián)系。本項目研制的可編程多功能激光器可為上述過程提供靈活可控的光源。
3、科學研究：在科研機構(gòu)，不同的科研課題通常對激光器的性能有著截然不同的要求。通過非線性頻率轉(zhuǎn)換獲得的激光在軍事、生物等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，然而激光的線寬、脈寬、重復頻率等參數(shù)對非線性頻率轉(zhuǎn)換的效果有直接的影響。本項目研制的可編程多功能激光器可以為非線性頻率轉(zhuǎn)換提供線寬可調(diào)、脈沖寬度在皮秒級、微秒級的可控光源。
可編程多功能激光器以其輸出光束特性任意可控的卓越性能使一臺激光器能夠完成多臺激光器的功能，從而滿足以上不同場合的需求。極大地降低了研發(fā)和生產(chǎn)成本，便于批量生產(chǎn)，具有極高的經(jīng)濟效益和實用價值。

本作品已獲得的成果和獎勵如下：
1.本項目已提出專利申報。專利名稱：一種具有自學習功能的光纖激光器，申報號:201110011202.2,申報日期:2011年5月17日
2.作品研究過程中形成的技術(shù)文檔《時域特性可控的脈沖光纖激光器》和《High-average power, low-repetition frequency ns pulsed fiber laser》已經(jīng)分別投往2011年中國光學大會和SCI源刊《Applied Physics B》
3.作品獲得學院2011年度課外科技創(chuàng)新活動特等獎
4.作品獲得2011年學校舉行的“挑戰(zhàn)杯”選拔賽一等獎（未設(shè)特等獎）
5.作品獲得2011年省級大學生創(chuàng)新實踐項目資助
6.項目組已經(jīng)與國內(nèi)相關(guān)專業(yè)研發(fā)單位達成合作意向：關(guān)鍵技術(shù)通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓的方式轉(zhuǎn)讓給光庫通訊（珠海）有限公式進行整機封裝、調(diào)試；通過標準化測試后，交由上海瀚宇光纖通信技術(shù)有限公司進行量化生產(chǎn)和推廣。

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 三等獎
作品獲得學院2011年課外科技創(chuàng)新活動特等獎

作品獲得2011年學校舉行的“挑戰(zhàn)杯”選拔賽一等獎（未設(shè)特等獎）

作品獲得2011年省級大學生創(chuàng)新實踐項目資助