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基于不同應用場合對激光器參數的不同需求以及現有激光器參數固定的現狀，我們設計和制作了可編程多功能激光器?？删幊潭喙δ芗す馄鞑捎萌饫w器件搭建，利用FPGA調制，通過人機接口實現輸出光束特性參數的在線編程控制。我們已制作出一臺完整的可編程多功能激光器，參數范圍是重復頻率~10Hz-~100MHz，脈寬~10ms-~100ps，激光線寬1MHz-500MHz，其可廣泛應用于工程和科研等領域。

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，激光科學技術在50多年內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。激光的應用已經遍及科技、經濟、軍事和社會發(fā)展的許多領域，如信息光電子技術、激光醫(yī)療、激光加工、激光雷達等，飛速推動經濟、社會發(fā)展。
激光技術的不同應用領域對激光器的時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、太陽能電池生產等）領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。目前廣泛應用的各種激光器大都根據實際應用的需要進行“量身定制”，脈寬、重復頻率、線寬、波形等物理參數特定或者調節(jié)范圍有限，通用性不強，使得在科研、醫(yī)療、工業(yè)等領域應用激光技術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領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用領域的不同需求。充分借鑒現代數字技術和自動控制技術的有關研究成果，并將其應用到激光器的系統(tǒng)結構中，實現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、重復頻率等參數可調；在頻域特性方面實現線寬任意可控。其波形、脈寬、重復頻率可控的特性可廣泛應用于激光加工、激光表演、激光醫(yī)療等領域；其線寬可控的特性可應用于非線性效應研究等科研領域。
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，光纖激光器具有轉換效率高、光束質量好、結構緊湊、成本低廉等優(yōu)勢，并且在光纖通信普及過程中配套產生的幾種器件（如波導結構的相位調制器、強度調制器等）使得激光器和數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載體。
可編程多功能激光器的設計思路是：在調相調頻激光器基本原理的基礎上，搭建一臺駐波腔結構的光纖激光器，利用腔內、腔外復合調制實現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加入相位調制器PM-1，當無相位調制時，輸出激光為連續(xù)狀態(tài)，當在相位調制器PM-1上施加不同特性的調制信號時，可以分別實現鎖模和調Q激光輸出；其次，利用雙光束干涉進行腔外調制：激光輸出后，進入一個全保偏光纖器件構成的M-Z干涉儀中，干涉儀的一臂上放置一個相位調制器PM-2，干涉光束通過光纖耦合器輸出，當無相位調制時，激光器輸出的光直接通過腔外相位調制器PM-2輸出，波形不發(fā)生變化；當在相位調制器PM-2上施加調制信號時，輸出激光波形發(fā)生相應變化。在此基礎上，利用FPGA自行設計和制作信號發(fā)生器，通過單片機及其相應的接口與激光器進行通信，分別對激光器進行腔內和腔外調制，可以根據用戶實際需要，編寫對應的程序，實現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，與腔外相位調制部分的調制信號進行比較，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，對于某些高功率應用場合，采用光纖級聯放大的方式實現可編程多功能激光器的高功率輸出。由于級聯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制器施加預補償進行校正。
通過以上設計思路，實現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、占空比一定范圍內任意可調，實現頻域方面線寬可控，并能實現激光器穩(wěn)定、高功率輸出。因而使得這樣一臺“可編程多功能激光器”可應用到工業(yè)加工、生物醫(yī)療以及科學研究等諸多領域，極大地提高了激光器的通用性，降低了激光器的研發(fā)和生產成本；且由于可編程多功能激光器基于光纖激光器實現，因而具備了光纖激光器結構緊湊、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，從而向商業(yè)化方向推進，具有極高的經濟效益和實用價值。

本項目的創(chuàng)新點在于：
1、根據調相調頻激光器的基本原理，綜合采用腔內、腔外相位調制的方式，實現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任意可調，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)和生產成本。
2、選用光纖激光器作為實現載體，充分利用光纖器件成本低、結構輕巧等特點，使得可編程多功能激光器具備結構緊湊、便于批量研發(fā)生產的優(yōu)勢。
3、在高功率激光應用場合，根據輸出激光波形的失真情況，采用預補償的技術實現波形的自適應校正，使得激光器具備自學習的功能。

本項目實現的可編程多功能激光器主要技術指標為：?
時域波形：常見波形（正弦、三角、矩形）和用戶設置任意波形 ?
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/公共安全領域，臨床醫(yī)療、材料處理、工業(yè)加工等民用領域以及非線性頻率變換等科研領域。具體說來，可以推廣應用的典型場合有：
1、激光加工：激光在材料加工領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：隨著激光技術研究和激光醫(yī)療診斷水平的不斷提高，應用激光可治療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，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。通過非線性頻率轉換獲得的激光在軍事、生物等領域有廣泛的應用，然而激光的線寬、脈寬、重復頻率等參數對非線性頻率轉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換提供線寬可調、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)和生產成本，便于批量生產，具有極高的經濟效益和實用價值。

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.項目組已經與國內相關專業(yè)研發(fā)單位達成合作意向：關鍵技術通過技術轉讓的方式轉讓給光庫通訊（珠海）有限公式進行整機封裝、調試；通過標準化測試后，交由上海瀚宇光纖通信技術有限公司進行量化生產和推廣。

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（未設特等獎）

作品獲得2011年省級大學生創(chuàng)新實踐項目資助