相干合成超快光纤激光产生毫焦级能量的高功率飞秒脉冲丨进展

高能量、高平均功率的飞秒激光由于在阿秒高次谐波产生、精密加工制造、生物医疗及国防等领域的广泛应用需求，是近十多年来超快超强激光技术研究的前沿热点内容 ，特别是光纤激光由于稳定可靠的运行特性、皮实紧凑的结构、优良的光束质量、较低的成本等优势，倍受人们的重视，也是广受欢迎的激光产品，所能输出的平均功率可达百瓦量级。但由于受限于光纤中有害的非线性效应，单路光纤产生的单脉冲能量在保证时域脉冲质量和光束质量的情况下，难以突破毫焦的瓶颈，限制了对激光强度有要求的许多重要应用。

使用相干合成技术，通过将多路放大后的飞秒脉冲合在一起，是获得高平均功率、毫焦量级飞秒脉冲的可行方案。 相干合成分主动相干合成和被动相干合成两种，主动相干合成的功率和能量可随着合成路数的增加而不断提升，但是需要复杂和昂贵的电控锁定系统；而被动合成无需电控相位稳定器件，装置较为简单，但受合成路数的限制，合成平均功率及单脉冲能量低。

针对上述问题和难点，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心L07组在多年高功率超快光纤激光研究的基础上，提出光纤中静态模式退化（Static Mode Degradation, SMD）是限制被动相干合成方案平均功率的关键瓶颈，据此发明了一种能有效抑制SMD的双向隔离器，继在2021 年实现 100W 平均功率的基础上（Opt. Lett. 46, 3115 (2021)），最近基于被动合成掺镱超快光纤激光系统，不仅进一步获得了最高平均功率可达200 W的结果，而且在100 kHz的重复频率下，单脉冲能量达到1.07 mJ，系统合成效率超过了85%。相关结果发表于最近一期的美国光学学会期刊Journal of the Optical Society of America B上，论文第一作者为常国庆特聘研究员指导的博士生史卓。

图1. 实验装置图

实验装置如图1所示，由前端提供的能量为0.80μJ、重复频率在100kHz至1MHz之间可调的偏振激光脉冲经展宽及 PBS1反射、PBS2 透射后，由 PBS3 及 PBS4 组成的时间分脉冲装置一分为二，分束为两个间隔约2ns的小脉冲，进一步通过PBS5分为四个脉冲进入Sagnac环路放大。其中两个脉冲沿顺时针方向传输，另外两个沿逆时针方向传输，并在进入棒状光纤之前采用四分之一波片（QWP1 及 QWP2）变为圆偏振。两根增益光纤之间插入了一块偏振分束器PBS6对脉冲进行偏振过滤，两个方向的光传输一圈后在PBS5汇合，两两进行空间合成，部分退偏光从合成处漏出，构成退偏端口；大部分光原路返回，在时间分脉冲装置处通过时域重合成为一个脉冲，部分未合成的光从未合成端口输出，合成光从合成端口输出。实验结果表明在150kHz的重复频率下，合成端口的平均功率达160W。当将重复频率降低为100kHz时，脉冲压缩后的单脉冲能量为1.07 mJ，放大过程中未观察到明显的SMD现象，图2所示为该能量下的主要测量结果。显示脉宽为 240fs，光谱宽度为8.7nm，3小时内对应的RMS小于0.5%，光束质量M2因子为1.11×1.27，纵向上的光束畸变主要来自光栅对。

图2. 单脉冲1.07 mJ时的（a）自相关曲线，（b）光谱分布，（c）功率稳定性和（d）光束质量结果

相比于以往基于单路放大或主动合成的高功率掺镱光纤飞秒激光光源，本研究使用简单结构的被动合成方式，获得了大于 1mJ 的结果，突破了常规飞秒光纤激光单脉冲能量的瓶颈，并具有高达200W的平均功率输出能力优良的光束质量和稳定性，可望在高重复频率阿秒高次谐波的产生、特殊材料的精密加工切割、半导体芯片缺陷检测及生物医学成像等方面发挥重要作用。 这一进展相关的装置及核心器件已申请国家发明专利。

该工作得到了国家重点研发计划（批准号：No. 2021YFB3602602）、国家自然科学基金（批准号：No. 62175255和62227822）和中国科学院重要仪器研制项目的支持。常国庆特聘研究员为通讯作者，博士生王井上、张瑶及魏志义研究员、西安电子科技大学王军利教授也参与了该工作的设计和讨论。

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编辑：Childe

蓝星光域：卫星激光通信终端将成为6G空天地通信一体化网络的核心基础设施

中新网上海新闻11月20日电(樊中华)“未来，借助卫星激光通信技术，卫星互联网将建立超高速、超大容量、超低时延、超高安全的数据传输能力，诸多6G通信网络应用场景将快速落地。”

在2023全球“未来产业之星”大赛复赛赛场上，蓝星光域(上海)航天科技有限公司首席技术官杨一超在谈及蓝星光域此次参赛项目——星间激光通信光机系统的未来应用价值时如是表示。

信息和能量是世界科技发展不断轮动的两条主线，20世纪人类发展的动力源泉是化石能源的广泛应用，而21世纪人类的技术革新主要借力于世界通信、数据、信息产业的爆发式发展。当前世界各国正在围绕6G通信网络建设谋篇布局。杨一超表示，作为未来科技产业发展的基石，6G网络的建设目标不再是实现简单的网络容量和传输速率的突破，而是将地面无线网络与卫星通信网络进行有机连接，实现全球网络信号无缝覆盖，并迈向全球万物互联这个“终极目标”。在全球卫星定位系统、通信卫星系统、遥感卫星系统和地面网络系统的联动下，6G通信网络不仅能缩小世界各地的数字鸿沟、提高生产效率、催生新兴技术，还能帮助人类预测天气、快速应对自然灾害等。

而卫星激光通信技术的发展，是卫星互联网实现高速、大容量、低时延、高安全性的基础。由于激光自身的物理特性，相比于频率较低的微波通信，激光通信可以提供非常高的通信带宽，实现高速数据传输；同时激光比微波通信传输能量更集中，可以在太空中实现几千公里远距离点对点传输，使得建立围绕地球的超大容量卫星通信骨干网络成为可能。

更重要的是，卫星激光通信技术的发展，还能够有力支撑国家空天地一体化网络建设，将空间安全牢牢掌握在自己手中。

当前，国内的卫星激光通讯技术从高精尖科研成果向商业化产品转化的关键进程中，大规模的产业落地面临着哪些挑战？

一方面，该领域复合型专业技术人才相对缺乏。“卫星激光通信行业属于知识与技术密集型行业，涉及到通信工程、电子信号与信息处理、力学、光学、热学、运动控制、软件开发等多领域知识及技术。对专业能力强力且实践经验丰富的复合型人才有较大需求。”

另一方面，卫星激光通信技术从航天科研成果转化为商业产品没有现成经验可以参考。需要公司将航天前沿技术与中国强大的工业基础以及工业供应链体系进行有机结合，走出具有蓝星特色的激光通信终端产品商业化路径。既满足航天国家队、部队、企事业单位等客户的严格质量要求，同时通过生产能力以及供应链建设实现激光通信终端大规模量产，降低卫星激光通信技术应用成本。当前，蓝星光域已初步建立年产50台套星间高速激光通信终端的生产能力。

就此类极具前沿性的未来空间技术而言，国际化交流是否必要？

在杨一超看来看，空间激光通信技术与应用是推动空间科技创新发展的重要战略新兴技术，从世界维度看，以Starlink、General Atomics、TESAT、Mynaric等一批国外企业已经在卫星激光通信技术的产业化上走出了坚实的一步。例如，据不完全统计，目前Starlink 已经完成超过880个激光通信卫星在轨部署，在轨使用的卫星激光终端套数超过3000套，初步建立了环绕全球激光卫星通信链路。以美国太空发展局(SDA)以及空间数据系统咨询委员会(CCSDS)为代表的标准制定机构初步制定了卫星激光通信终端组网协议及标准，正在推动卫星激光通信产业向标准共享、天地协同、互联互通方向发展。因此开展国际交流合作，保持国际化视野，对于蓝星光域提升产品技术优势、把握产品发展方向至关重要。“我们希望与空间激光技术领域的国内和国际同仁们携起手来，共同推卫星激光通信技术实现标准制定、产品普及、产业革新。”

这也是蓝星光域此番参加“未来产业之星”大赛的初衷。“我们希望借助此次大赛，能学习借鉴各方研究成果、开展思想碰撞、加强卫星激光通信技术的国际合作，提升我国卫星激光通信技术的产业化水平。”杨一超说。

此外，杨一超认为，大赛聚焦创新技术和前沿领域，为学习应用前沿工程技术提供了宝贵的平台。“我们可以接触各类高新技术行业的专家、企业家和投资者，通过比赛进行思想碰撞，进行学习与思考，使企业能够全面深入地了解未来科技领域发展趋势，更好地研判蓝星下一步的发展方向。”

杨一超表示，上海在航天技术领域历史悠久，临港新片区卫星研制基地、闵行航天基地等集聚了上海航天动力技术研究所、上海空间推进研究所等研究机构以及一批代表企业，具备较强的航天产业基础，为新型空间科技的研发创新与产业化提供了有力支撑。同时，上海工业制造基础雄厚，“成熟的工业化体系和工艺，对卫星激光通信终端的大批量生产至关重要。”

他也同时指出，当前，我国民营商业航天企业发展方兴未艾，相关支持性政策应灵活化、定制化，同时应更加开放地支持民营企业可以有序开展卫星通信的基础业务，以增强我国空间信息应用在全球的竞争力。此外，杨一超谈及，未来的五年到十年，卫星激光通信产业会呈爆发式增长态势，建议加速制定出台卫星激光通信相关行业通信协议及标准，有力支持行业标准化、规模化发展。

作为未来产业，当前民营商业航天产业链与产业生态仍有待进一步完善，他建议，应充分发挥产业基金引导作用，设立大规模的重点扶持民营商业航天的国家发展基金，并鼓励地方政府和金融机构撬动社会资本联合成立商业航天产业基金，支持和鼓励民营商业航天企业在科创板上市。(完)

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