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白光激光为激光产业打开新大门

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白光激光为激光产业打开新大门

发布日期:2017-10-28 作者: 点击:

近年来,悦宸激光设备厂家激光技术取得了飞速的发展。数据显示,2016年中国激光产业全年增速达到20%以上。在“中国制造2025”催化之下,激光产业将在2017年继续保持高速发展。而作为产业链关键器件,激光器的发展一直是行业重中之重。由于传统激光晶体所能发射的激光波长十分有限,导致了目前激光器产品不可能产生任意波长的激光。在激光技术的应用上,人们往往需要获取各种不同波长、谱宽的激光,去解决现实中的需求;而传统的激光晶体不能够帮助激光器去实现这一需求。如何克服传统激光晶体难以克服的本征缺陷,拓展固体激光技术和激光源装备的发展,早就成为世界各国科研机构积极研究的课题。

在众多前沿科学研究中,解决可获取任意波长,以及更加宽谱的超连续、超宽带、在时间相干性和空间相干性方面都具备优良特性的激光光源的难题,意义重大。如果这一难题能够得到解决,并能够进入商业化生产和应用进程,或将为激光产业打开新的大门,并在多领域颠覆或提升激光技术的应用,并派生出更多的新型应用。

激光器所产生的激光特性,取决于激光晶体。作为激光器系统的另外一个重要组成部分,非线性晶体通过与激光的非线性相互作用,可产生多种新的激光谱线,从而扩充激光的频率窗口。获取新型非线性超晶格和非线性光子晶体的研究,成为攻克上述难题的一条十分有效的手段。与之相匹配的准相位匹配理论思想虽然在1962年就由J.Berger等人提出,直至1998年非线性光子晶体概念的诞生,受限于生产工艺以及理论方法,现实中人们依旧不能很好地将准相位匹配理论和不断增长的实践需求完美地结合在一起,产生各类高性能的非线性超晶格和非线性光子晶体。

在OFweek激光网承办的“OFweek 2017(第十三届)中国先进激光技术及应用研讨会暨‘维科杯’年度评选颁奖典礼”上,我们惊喜地发现一款可以针对输出波段进行晶体结构定制,使之可以达到最佳的输出性能的非线性光子晶体产品----white光子晶体,这是准相位匹配理论的最佳实践和里程碑事件。该产品不仅可产生紫外、可见、红外,超宽带、超连续、全相干的白光激光光源,还可产生真正意义上的任意波长激光的输出;从而解决了传统激光器产品不能够获取任意波长激光的历史。

上图中黑色曲线:Filter 2 滤波前;红色曲线:Filter 2 滤波后。

Pout=1.69mW,这个光谱采用了1800线/mm的光栅进行分光的,分光之前为白色激光。

很明显输出的是超连续的激光光谱,非常完美地解决了350nm到1000nm之间的激光光源问题。

新型非线性光子晶体----white光子晶体的诞生,并且实现可商业化生产和应用进程,对中国激光产业而言,是一个意义重大的事件。南京晶之彩材料有限公司凭借white系列光子晶片荣获OFweek 2017“维科杯”最佳激光仪器及配套技术创新奖。会议期间,OFweek激光网有幸采访到南京晶之彩材料有限公司科研主创人员的李志远教授,在采访中,李教授对非线性晶体的发展进行了分析,并对white系列光子晶片的研发和应用领域等方面进行了探讨。

OFweek 2017(第十三届)中国先进激光技术及应用研讨会暨‘维科杯’年度评选颁奖典礼图

非线性晶体应用在激光领域,日本和欧美依旧是这一领域的先锋,但中国在非线性光子晶体的生长技术的掌握上,并不落后。

非线性晶体作为激光领域一种战略性的材料,已经有几十年历史了。李教授表示,非线性晶体是激光工业、激光产业、激光技术发展的核心要素。目前欧美、日本在长期的开发之下,已经发明了很多非线性晶体,比如BBO晶体、LBO晶体等,所以非线性晶体的应用已经涵盖高端激光器领域。

我们国家对于非线性晶体的研究的起步虽然较晚,不过,目前我们基本掌握了几乎所有晶体的生长技术,而且部分非线性光子晶体材料已经成为国家重要的战略物资,获得国家的保护和支持。举一个例子,我们国家发明的KBBF非线性晶体极具独创性,在国内外都有很大的影响力。KBBF晶体是一种深紫外的非线性晶体,它能够产生176纳米波段的激光,这是世界上第一种可以产生深紫外激光的晶体,其战略意义不言而喻。因为其重要性,目前我们国家已经禁止KBBF非线性晶体对日本、欧美的出口。所以说我国在某些方面已经达到国际一流水平。而晶之彩的主打产品white系列光子晶片也属于非线性晶体材料。

结合准相位匹配理论,从非线性光子晶体到白光激光诞生,经历了漫长的研究之路,李志远科研团队还将继续走下去。

激光器能不能发出像太阳光一样的激光,涵盖红外、可见光、紫外等谱段的光线呢?如今,这一天马行空的设想实现了,经过近20年的积累与不懈研究,李志远科研团队发明了white系列光子晶片,该晶片可让激光器产生包含红外、可见光、紫外等谱段在内的白光激光。该技术成果获得“2015年中国光学重要成果奖”。

上图为White晶片的照片,是一款全新结构的晶体材料;它是非线性光学与激光技术的完美结合,通过单块芯片晶体的高次谐波产生了超宽带、超连续.全相干的激光光源。本次实验的输入源是中红外飞秒脉冲激光泵浦(波长范围3-4um, 脉冲能量10-20uJ)。

针对晶之彩white系列光子晶片,李教授也详细地进行了说明:“white系列光子晶片是非线性晶体的一种,是我们团队在微纳光学、非线性光学、激光等领域的技术交叉结合之下的产物。white系列光子晶片之所以能让激光器产生白光,主要是因为该晶片内部经过了改造。改造之后,该晶片与普通的脉冲激光相互作用就可以产生包含各类颜色以及红外、紫外等谱段的白光激光。这对于整个激光领域来说都是一个开创性发明,是一个非常有应用前景的光子晶片材料。”

针对公司产品,李教授表示:“目前white系列光子晶片已经研发到了第二代产品。第一代的白色激光技术是用中红外飞秒脉冲激光作用在晶体上,然后产生白光激光。但因为中红外激光功率比较低,所以产生的白光激光功率并不高。为满足白光激光在更多领域的应用,白光激光的总功率必须要得到提高,为此晶之彩成功研发了第二代白光激光产品。利用近红外的飞秒脉冲激光作用非线性晶体,从而产生了更高功率的白光激光。功率从之前的几个毫瓦提升到目前的一百毫瓦。”

“white光子晶体的诞生,是对准相位配理论在实践中应用的最好诠释;由于我们刚刚起步,已经取得将理论产品变成可商业化的产品的成绩,但我们不满足,对white光子晶体的持续研发,是我们企业的重中之重,它也将成为我们企业发展的长期的经营战略指导!未来,还将有更高、更新的产品面世。”李教授满怀信心地对未来寄予展望。

白光激光将带来哪些革新?

“人们熟知的已经成熟的光纤激光在工业上的应用,仅仅是激光应用的冰山一角;当下,激光的应用,已经体现在众多领域中。white光子晶体具备非常强大的功能,如何发掘白光激光的应用,需要结合白光激光的特性来进行分析。探讨白光激光的未来应用领域,就需要从分析white光子晶体产生白光激光的特性入手。”此次与会专家就白光激光的未来应用领域进行了分析。

White光子晶体产生的白光激光,与RGB三基色合成白光激光以及光子晶体光纤激光器产生的白光激光不同,后者产生的”激光”没有相干性,更多地应当归属于强脉冲光(IPL),或脉冲强光范畴,不能称之为真正意义上的激光。White光子晶体产生的激光是世界上唯一具有全相干性的白光激光,各谱线之间彼此相干,全相干性是白光激光的重要特性;该特性是目前其他激光光源难以产生的。利用这一特性,再结合目前传统的激光应用,可在相关应用上使激光应用得到拓展和提升。例如,该特性可克服传统激光器一次只能产生单一或窄谱宽波长的激光,白光激光器一次可产生成百、上千条彼此相干的不同波长的宽谱激光;应用在激光雷达、白光全息成像上都具有不可替代的优势。

除此之外,作为超连续、超宽带的激光光源,结合激光器,也可在科研、激光应用系统开发上大有作为,或将产生新领域的应用,并轻松解决目前传统激光应用所遇到的难以解决的难题,比如利用white光子晶体可产生任意波长激光的特性,获取传统激光器所无法产生的拥有特定中心波长的激光。

目前激光在加工、生物医学、环境监测、国防军事、科学研究等领域都有广泛的应用,那么白光激光还有什么样的应用价值呢?李教授认为:“白光激光包含可见光、红外、紫外等谱段,所以应用将非常宽广。比如说白光激光将在环境监测领域起到很大的作用,因为一束白光激光打出去,可以与空气中的多种污染物同时作用,产生丰富的信息量,一次就可以实现所有的探测。如果使用普通的单色激光探测,就需要多次、分不同颜色激光探测才能得到探测结果,效率偏低。

另外,未来白光激光或在生物医学领域得到应用。我们正在考虑,与相关的医学科研机构合作,把激光医疗、美容系统的开发,定为我们企业第一个尝试开发的白光激光应用系统;根据光热分离理论,即根据人体不同组织的生物学特性,选择适合的波长、能量、脉冲持续时间的激光,通过white光子晶体产生并获取;以确保对病变组织进行有效治疗的同时,尽量避免对周围正常组织造成损伤。众所周知,人体的不同组织的生物学特性不同,这就要求所需要的激光光源多种多样,而某些波长的光源,传统激光器是不能够产生,但是White光子晶体却可产生任意波长的激光,这样就可以针对不同组织的生物学特征,进行精确定制治疗激光光源,以期达到最佳的精准治疗效果。我们未来尝试开发的应用系统还有一个优势----获取激光光源简便易行,只需要通过入射脉冲激光照射单片White光子晶体就可产生所需激光,省去了传统上需要多块晶体级联才能完成的复杂设计。”

此外,李志远还认为:“白光激光可以作为种子源,因为其包含众多谱段,通过白光激光可以产生红外、紫外波段激光。其中紫外激光具有非常重大的科学应用价值,可以应用到物理、化学、生物基础研究等非常重要的领域。而红外波段的激光,在军事、国防领域有非常高的应用价值,可以用来做探测、成像等。

通过将白光激光包含的其中一个谱段的激光放大以及其他一些技术的改进,就可以产生任意波段、任意波长的激光,从紫外、可见、红外都可做到。那这些技术和产品将会在很多领域有所应用,并极大的推进激光产业的变革与发展。”

对于未来的产业化展望

对于white系列光子晶片及白光激光的未来发展,李教授表示:“白光激光产业化的第一步是要把white晶体晶片的功能进行扩充,将相关技术模块化,然后提供给用户。类似于私人订制,客户想要什么功能的激光,我们企业就根据客户已有的激光器,配置相应的模块,以产生符合客户要求的激光。

第二步,除了非线性晶体的模块,我们也将研发、配置产生白光激光的激光器产品,整合在一起形成产生白光激光的完整系统。

第三步,我们企业将在白光激光系统的基础之上,加上其他的一些功能模块,比如说环境监测、激光雷达、3D显示、生物医学等相关领域的专用模块。这样就构成一个白光激光的完整应用产业链。”

李志远教授领导的企业团队,将以研究非线性光子晶体为核心,结合相关应用系统模块以及激光器的研发,以非线性光子晶体产品和自主研发的激光器产品作为主打,外联各科研单位和企业开发不同领域的应用系统模块,为社会各领域提供所需的白光激光光源,使得白光激光能够在各领域应用系统中得到应用.。

白光激光作为世界上最新型的激光光源,如若在更多的领域得到应用,晶之彩就必须做好企业技术服务,配合不同领域的科研机构、大专院校和企业,为其量身定制各种所需中心波长的激光光源,使得白光激光在各领域的应用得到快速普及。

“我们只是在研究非线性光子晶体材料上有所突破并取得成就,在众多领域,我们并非专家,加之科研力量有限,我们不可能面面俱到。白光激光产业链的形成,需要集各领域、各学科的科研力量,共同去推进白光激光应用系统的开发。通过合作,在不同的领域产生不同的应用产品和应用系统,这样才能使白光激光产业链早早大规模形成。我们作为这个产业链的源头,将加大科研的力度和技术服务力度,承担起引导白光激光产业链发展的责任。”南京晶之彩材料有限公司的销售经理对白光激光产业链的未来充满着期待,“从白光激光系统在现实世界中得到应用的那一天开始,也就意味着我们企业步入发展的快车道,预示着我们所创造的白光激光为人类的社会进步正在做出巨大的贡献!我们将以此为豪!”


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