我国光纤激光器和环形激光器的国际领先技术
发布人:新特光电 时间:2017-05-08 关注:

3年之内“天河”两度问鼎世界超算之巅,标志着我国在超级计算机领域已经走在世界前列。而这只是国防科技大学辉煌代表之一。

军队,虎狼之师;科技,虎狼之翼。哈军工首任院长陈赓大将曾形象地比喻:“中国人民解放军是老虎,我们就是为老虎插上翅膀。”

翻看“哈军工—国防科大”60年的辉煌历史,无数个“中国第一”“中国之最”璀璨夺目:中国第一台每秒亿次、十亿次、万亿次和千万亿次巨型计算机,中国第一个雷达目标自动识别系统,中国第一台环形激光器,中国第一台两足步行机器人,中国第一台高速信息示范网核心路由器,中国第一条自主磁悬浮列车试验线,中国最高纳米超精加工精度,高功率光纤激光器相干合成技术,世界最高时速无人车……党的十八大报告里提到的“十一五”5项重大科技突破,其中1项由国防科大独立完成,3项有国防科大参与建设。

据统计,从哈军工到国防科大,该校取得了6000多项科研成果,谱写了一曲共和国军人自主创新、勇攀高峰的雄壮军歌。

为国甘当拼命人

1978年,在那个科学的春天,邓小平同志掷地有声:“中国要搞四个现代化,不能没有巨型机!”

时任国防科大计算机研究所所长慈云桂激动不已,立下军令状:“现在我已经60岁了,就是豁出这条老命,也一定要把我们自己的巨型机搞出来!”

冲刺关头,副教授蹇贤福忍着癌细胞吞噬躯体的剧痛,用颤抖的手写完5大本实践经验,才安详地闭上了疲惫的双眼;为设计出更优的运算控制系统,讲师俞 午龙连续5天5夜没有合眼,永远倒在出差的路途上。倒在巨型机研制征途上的还有乔国良、钟士熙、王育民、张树生……在每一个年轻生命倒下的地方,都耸立着 一座不朽的丰碑。

1983年12月,我国首台亿次巨型机在国防科大研制成功,成为继美国、日本之后少数几个具有研制巨型机能力的国家。

环形激光器是衡量一个国家光学技术发展水平的重要标志之一,广泛应用于航空航天、导航和精确制导。20世纪60年代,美国率先研制出世界上第一台环形激光器,引起了世界光学领域的一场革命。

“如果我们不干,就可能给国家留下空白,将来就可能因此受制于人;要干,就要干好这个世界性难题。”国防科大高伯龙院士的话语铿锵有力,“我们研制的器件,只有能够在装备上得到应用,才算尽到了军人的职责。我们必须一直到研制出实用性强的器件为止。”

作为激光技术领域的世界性难题,环形激光器研制工作在国内几经沉浮。从六十年代开始,中国曾有多家单位投入力量开展研制,但先后由于工艺技术过不了 关,精度难以达到要求而中止。而高伯龙主持的国防科技大学激光研究室,历尽磨难坚持搞了下来。它似一棵劲松挺立在科学的峰峦上,几经风霜雪雨,坚韧不拔。 环形激光器的研制工作从一开始就在重重迷雾中艰难摸索,到1978年,终于制成第一代实验室原理样机。

1984年初,高伯龙带领科技人员制成了改进的某型环形激光器实验室样机,这一成果解决了大量理论和技术工艺问题,为进一步研制、生产环形激光器提 供了技术基础和条件。当一些人又觉得该松口气的时候,执拗的高伯龙却不肯轻易罢休。他根据现有的工艺技术水平,提出了进一步发展工程化的某型环形激光器的 新设想。这当时在国外尚无先例,只能靠自己探索。

30年磨一剑。1994年11月18日,我国第一台环形激光器通过国家鉴定,国人纷纷称赞“长国家志气,提民族信心”。

卫星导航系统作为国家综合国力的重要组成部分,是重要的空间信息基础设施,对维护国家安全和战略利益具有重大意义。1994年,“千里眼”被美国GPS首先使用。为打破国外垄断,国防科大“北斗”团队展开了艰难的“排星布阵”。

18年顽强拼搏,18年艰难攻关,他们突破了一系列核心关键技术瓶颈,成为北斗卫星导航系统中唯一同时担任系统核心体制、卫星关键荷载、运控主体、测试设备研制任务的“国家队”主力军,为覆盖亚太地区的“北斗二号”卫星导航系统开通作出了突出贡献。

强军路上勇攀登

哈军工创建之初,学院在完成教育教学任务的同时,主动进行科研攻关,取得了一系列科研成果:我军第一台军用电子计算机、 第一台声速梯度仪、第一个超音速风洞、第一个现代弹道实验室、第一代水陆坦克初样车、第一辆轻型坦克、第一艘潜艇、第一艘水翼艇和气垫船、第一部鱼雷快艇 攻击指挥仪……

精确制导与自动目标识别,是现代制导武器的“眼睛”和“大脑”。郭桂蓉院士带领团队,几百次下部队、上海岛,采集数据、调试设备。经过十几年的接力 攻关,实现了现役雷达改造和新型雷达研制,使我国雷达信息处理技术一举跃进世界领先行列,被国内外同行称为“难以想象的奇迹”。

20世纪90年代,我国靶场光测技术还停留在胶片记录、人工判读阶段。于起峰院士带领团队经过艰苦努力,成功研制出一套具有国内领先水平数字光测胶片判读分析系统。然而在准备列装时,于起峰发现这套系统仍存在不足,为此他提出直接生成数字图像的设想。

他们实现了靶场光测装备的测量方法由模拟到数字、手工到自动、三维测量到六维测量的飞跃,是我国40年来该领域判读系统的重大变革。

纳米精度的攻关,是集成电路、精密光学仪器、尖端信息化装备制造的关键技术。上世纪60年代,美国率先开始超精密加工的技术研究,造出了世界上性能最好的芯片和一批尖端武器装备。而直到上世纪80年代末,我国还在沿用传统的手工作业方法。

面对巨大差距,李圣怡教授带领团队开始了艰难的超越之路,创造出超精密加工的中国奇迹。今年1月,他们自主研制的磁流变和离子束两种超精抛光装备, 创造了光学零件加工的亚纳米精度,使我国成为第三个掌握高精度光学零件制造加工技术的国家,并成为世界上最早同时具有磁流变和离子束抛光装备研发能力的国 家。

轻触屏幕,战场一览无遗,指尖游弋,指挥百万雄师。实现这一功能的“智能交互式通用指挥平台”就是由该校老松杨教授研制的。2004年开始,老松杨 便把这一技术作为自己科研的主攻方向。经过6个月攻关,他和团队最终掌握了该项关键技术。如今,该成果已直接应用于我军各级指挥机构,给我军在指挥控制领 域带来革命性变化。

走边海防,入演兵场……为了把准科研攻关方向,国防科大每年都组织“博导部队行”,上百名博士生导师下一线部队。

“一个数学公式改变了一支部队”的故事,在基层官兵中广为传颂。1997年,该校理学院专家教授赴测控部队调研时,发现大山深处的测控站设备体积庞 大、精度不高,且需要官兵长期维护。他们经过反复推算验证,得出了核心数学公式,并用这个公式建立了一套全新的测速定位方法,给外弹道测控体制带来一场深 刻变革,让雷达官兵走出了深山。

科技惠民当先锋

1983年,汪浩教授带领团队,运用系统工程理论帮助开发的“浏阳县经济、社会、科技发展规划的系统工程研究”和“洞庭湖综合治理规划”,极大地促进了地方经济社会科学发展。

国家超算天津中心依托该校提供的技术支撑和天河一号超级计算机,合力打造构建了石油勘探数据处理、生物医药数据处理、动漫与影视超级渲染、高端装备制造产品设计与仿真、地理信息五大应用平台,先后为600多家重点用户提供了超级计算服务。

如今,刚刚夺得世界第一的天河二号即将落户广州,主要应用于大科学、大工程以及产业升级和信息化建设领域,目前已在大数据处理、云计算和存储、“智慧广州”信息系统建设、先进机械装备设计、动漫制作、基础研究等方面推广应用。

自主驾驶是一项关系国计民生的技术。上世纪90年代,贺汉根教授带领团队研制出我国首台高速无人车。2007年,他和团队研制的无人车,最高时速达170公里,成为当时世界无人车第一速度。

2012年5月10日,“天拓一号”在山西太原卫星发射中心搭载发射成功,第一次将“国防科技大学”的名字嵌入浩渺太空。在轨稳定运行的一年时间 里,“天拓一号”先后传回100余万条AIS报文,绘制出我国首幅全球船舶AIS数据海图,为交通部通信信息中心等10余家用户单位连续提供AIS数据服 务,在海洋目标跟踪监视中发挥了重要作用。

近年来,该校着眼发展国家战略性新兴产业,推进科技惠民,呈现出一幅百舸争流的繁荣景象。

该校航天科学与工程学院和株洲一家公司联合研制的大尺寸复合材料风电叶片,在国内多个大型风场应用并远销白俄罗斯、智利等国,累计每年可为国家节省标准电煤70万吨,为我国能源战略贡献了重要力量。

该校电子科学与工程学院提供固态硬盘核心技术,与湖南源科高新技术有限公司建成亚洲最大的固态硬盘生产基地,年产值将超过10亿元。2011年,该公司产量在全球127家固态存储厂商中跃居第5位。

如今,生活中贴着“国防科大研制”标签的成果越来越多,银河麒麟操作系统、银河玉衡核心路由器、北斗手持式用户机、360度全景式摄像机、面部识别技术……国防科大人在服务国家和军队战略需求的同时,用科技造福于民。

国防科大光纤激光器和环形激光器领先世界

国防科技大学紧贴教学科研实际加强作风建设,把从严治校、从严 治学、从严治教的成效体现在出人才出成果上。今年以来,该校确定的17项重大科技创新工程相继取得突破,启动的“学科交叉中心”等21个项目进展顺利,一 批中青年教学科研骨干呈现良好发展势头。特别是在高性能计算、卫星导航、军事航天、超精加工、激光技术等领域取得一系列重大突破。

国防科技大学是国防部和教育部双重领导下的国家重点综合性大学,列入国家“985工程”和“211工程”的重点建设。学校的前身是1953年创建于 黑龙江省哈尔滨市的军事工程学院,简称“哈军工”。1970年学校主体南迁长沙,改名为长沙工学院,1978年改建为国防科技大学。学校位于中国湖南省长 沙市,占地总面积373公顷。

经过50多年的建设与发展,学校成为一所涵盖理学、工学、军事学、管理学、经济学、哲学、文学、教育学、法学、历史学等10个学科门类的综合大学。 学校现有10个学院,下设40多个系、所、实验室,其中有国家重点实验室4个、教育部重点实验室1个。以10个国家重点学科为代表的部分学科领域处于国内 领先水平。在2007-2009年全国一级学科整体水平评估中,计算机科学与技术、信息与通信工程、系统科学、光学工程、管理科学与工程、航空宇航科学与 技术等6个学科进入前5名。

国防科技大学在激光领域走在世界前沿,特别是在光纤激光器相干合成方面以及环形激光器方面,接下来OFweek激光网将带你看国防科大在激光领域的相关进展:

一、2011年国防科大研制出世界首台千瓦级光纤激光相干输出系统

国防科技大学2011年6月14 日宣布,他们研制成功我国首台“千瓦级光纤激光相干合成试验系统”,系统输出总功率达1.5千瓦,而此前国际上此类系统的最大输出功率仅为725瓦。相关 专家指出,该系统是国际上首次实现光纤激光千瓦级相干合成输出,其综合性能达国际先进水平,在相干合成输出功率、宽带和多波长激光相干合成技术等方面处国 际领先地位。

光纤激光相干合成是利用光纤激光器光束质量好、转换效率高、结构紧凑等优点,通过相位控制等方法将多根光纤激光器“捆梆”起来,从而实现“步调一致”的高功率、高质量激光输出,是获得高能激光的一种重要手段,也是当前世界激光领域的一个研究热点,但由于系统复杂,研制难度很大,少有大输出功率成果。

国防科大刘泽金教授率领课题组经过多年研究,发明了基于随机并行梯度下降、单频抖动等两种光纤激光相干合成相位控制方法,建立了描述相干合成阵列激 光的传输通用模型和传输方程,提出了相干合成光束质量评价指标,掌握了一系列拥有自主知识产权的核心关键技术。今年5月,课题组研制的“千瓦级光纤激光相 干合成试验系统”,实现了9路光纤激光相干合成,系统输出总功率达到1.5千瓦,光—光转换效率达到75%,各项技术指标均达国际最高水平。系统具有输出 功率大、光束质量高、散热效果好、系统成本低等特点。

课题组先后在《应用物理快报》《光学快讯》等国际著名期刊和学术会议上发表论文121篇,其中SCI收录82篇,其阶段性成果“光纤激光相干合成技术”入选2009年中国光学重要成果。

二、2013年国防科大突破高功率光纤激光技术 功率超国外3.6倍

近日,国防科技大学光电科学与工 程学院某课题组突破了光纤后处理、光纤盘整体冷却、宽波段光纤色散特性测量和光纤模式控制技术等具有自主知识产权的核心关键技术,研制出“高平均功率近红 外全光纤超连续谱光源”,平均功率超过了国际同类研究的3.6倍,入选“2012年中国光学重要成果”。

1、国防科技大学光电科学与工程学院

国防科技大学光电科学与工程学院成立于2004年6月,下设光电工程系、光信息科学与技术系、定向 能技术研究所。学院以光电技术在国防现代化中的重要作用为牵引,主要从事国防现代化建设中的关键技术攻关研究和光电学科领域的科学研究、工程技术应用以及 高素质人才的培养工作。

光电工程系现有中国工程院院士1人、教授4名、博士生导师4人,拥有1个光学工程博士后流动站,主要研究方向为光电检测技术、光学元件加工工艺学、 薄膜光学与技术、新型激光器技术和激光陀螺在惯性导航系统中的应用,在光学加工技术、薄膜光学与技术等领域的研究水平居国内领先。1994年研制成功的 “全内腔绿(黄、橙)光He-Ne激光器”获国家科技进步二等奖。

目前学院形成了以光学工程一级国家重点学科为主干,涉及物理电子学、声学等多个学科的学科群。现拥有1个光学工程博士后科研流动站、6个二级学科博士点、7个二级学科硕士点,3个本科专业。

光学工程一级学科是“十一五”国家重点建设学科,在2006年全国光学工程学科评估中综合排名第四,主要研究方向有:激光陀螺技术、高能激光技术、 光纤传感技术、纳米光子学、光电仪器与测控技术、自适应光学等,其中激光陀螺技术、高能激光技术研究方向处于国内领先水平,部分达到国际先进水平。物理电 子学二级学科是“十一五”湖南省重点建设学科,主要开展高功率微波与自由电子激光、强流相对论真空电子学、微波等离子体理论与应用、高电压与脉冲功率技术 等方面研究。声学学科主要开展强声技术和水声工程方面的研究。学院科研实验条件优良,拥有2个“985工程”二期科技创新平台、1个光子/声子晶体技术教 育部重点实验室和光电技术等12个高水平专业实验室。

2、刘泽金课题组

刘泽金,1963年出生,军用光学专业博士毕业。现任:国防科技大学光电科学与工程学院院长、教授、博士生导师,国务 院学位委员会第六届学科评议组成员,中国光学学会常务理事,国家863计划8领域专家委员会副主任,某973项目首席科学家。长期从事高能激光技术研究, 已公开发表学术论文120余篇,获得国家科技进步一、二、三等奖各1项,军队和部委级国家科技进步一等奖7项,获发明专利授权9项。

国防科大刘泽金教授率领课题组经过多年研究,发明了基于随机并行梯度下降、单频抖动等两种光纤激光相干合成相位控制方法,实验中发现了宽谱(约 30GHz的谱线宽度)激光也能实现部分相干合成的物理现象,提出了用非单频激光进行相干合成的技术路线,阐明了宽谱、多波长激光相干合成的物理机制。建 立了描述相干合成阵列激光的传输通用模型和传输方程,提出了相干合成光束质量评价指标,掌握了一系列拥有自主知识产权的核心关键技术。

2011年5月,刘泽金率领课题组研制的“千瓦级光纤激光相干合成试验系统”,实现了9路光纤激光相干合成,系统输出总功率达到1.5千瓦,光—光 转换效率达到75%,各项技术指标均达国际最高水平。系统具有输出功率大、光束质量高、散热效果好、系统成本低等特点。这一输出功率为目前已知的该领域国 际最高水平。

用优化算法能够实现宽谱和多波长激光部分相干合成的这一科学新发现,打破了此前只有窄谱激光才能实现相干的认识。

他们进一步深入研究了该发现的物理机制,为新一代大功率光纤激光系统的研制奠定了理论基础。其研究成果于2009年在美国出版的国际光学领域著名学术期刊OpticsLetters上以封面图示文章发表,在国际激光学界中引起广泛关注。

他们和美国学者各自独立提出将基于随机并行梯度下降优化算法用于光纤激光相干合成的技术方案,并单独提出了用于光纤激光相干合成的单频抖动相位控制 方法,这两种方法都成功实现了“不同波长激光束的同步自动对齐”,解决了相干合成时相位控制的技术难题,获得了高质量的稳定激光输出,使目前光纤激光相干 合成主动相位控制方法达到4种,得到国际激光领域同行的赞许。

与此同时,刘泽金等还提出了相干合成光束质量评价方法,解决了过去常用的光束质量评价标准不能对相干合成光束进行很好描述的问题,被学术界认可和采 用。美国定向能协会出版的《高功率光纤激光器导论》一书采用了该方法,称其是“孔径填充相干阵列光束质量的最佳测试方法”,总装备部光电子技术专业组推荐 其为我国相干合成激光光束质量评价准则。

近年来,该课题组在AppliedPhysicsLetters、OpticsLetters、OpticsExpress和光学学报等光学领域国 内外著名学术期刊上发表论文121篇,其中SCI收录82篇。其阶段性成果“光纤激光相干合成技术”入选了“2009年中国光学重要成果”。

三、国防科大携手地方单位成立大功率光纤激光协同创新中心

大功率光纤激光协同创新中心2013年4 月12日在长沙成立。国防科技大学光电科学与工程学院携手清华大学精密仪器与机械学系、中国科学院上海光学精密机械研究所,将通过建立技术联盟、共享仪器 设备、联合培养人才等形式,围绕突破光纤激光核心关键技术开展协同创新,研制开发具有世界先进水平的光纤激光器,改变我国高功率光纤激光器依赖进口、核心 技术和知识产权受制于国外的状况,促进我国光纤激光技术水平的整体提升和可持续发展。

据悉,光纤激光是激光技术研究的前沿课题,在光通讯、激光加工、激光医学、生物技术等领域具有广阔的应用前景。

四、国防科技大学创新团队故事:环形激光器攻关30年

研制高质量的环形激光器是激光领域一个世界性 难题,上世纪60年代,美国等西方各国纷纷开始投入大量人力物力用于环形激光器的研制,以应用于航空航天导航和精确制导。西方的研制虽然已经取得进展,但 实行严格技术保密,我国一开始虽有10多家单位开展此项研究,因技术难度太大先后下马,而国防科大光电科学与工程学院的专家却“咬定青山不放松”,板凳甘 坐30年冷,矢志攻关,硬是拿下了这个世界性难题,使我国成为世界上继美、法之后第三个独立掌握这项技术的国家。

最初的激光实验室是由一间旧食堂改建的,由于激光器检测要求严格,实验室要保持一定的洁净度,必须封闭。专家们就在这个夏天像“火炉”,冬天像“冰窿”的“大闷罐”里开始了攻关。

1978年,他们研制完成了第一代实验样机。但科研带头人高伯龙清醒地认识到,从实验样机走向实用,还需进行工程化处理,这一步甚至更难。因为激光 器的反射膜片质量要求非常高,这个问题解决不了,产品的性能就上不去。国内的工艺水平特别是光学镀膜水平,与国外发达国家差距甚大。而美国对这项技术都感 到困难重重,我国的研制难度有多大,可想而知。因此,10年内很难突破关键技术,要有打持久战的思想准备,

果然,环形激光器的工程化,就被卡在镀膜问题上。望着一片片报废的膜片,一些人产生了悲观情绪,向高伯龙说:“工艺上不去,我们干也白干,还是早早收场算了。”

高伯龙也意识到研制工作的确面临很大的困难,但能就此放弃吗?国内目前就只剩下国防科技大学一家单位研制环形激光器了,如果不搞下去,它就会彻底夭 折,我国的环形激光器技术水平将与国外越拉越远。此时,大家只有一个信念:不管遇到多大的困难,也要干出中国的环形激光器。因为他们清楚,不干,就会给国 家留下空白,将来就可能因此受制于人。

为了突破工艺技术这道难关,高伯龙不得不放弃多年的理论研究,专攻基础工艺。经过数年艰辛探索,他们成功地研制出我国第一台激光高精度全程测量设备DF透反仪,改进了环形激光器实验样机,解决了大量理论和技术工艺问题,为进一步研制、生产环形激光器提供了技术基础。

在此基础上,高伯龙根据我国的工艺技术水平,提出了某型号环形激光器研制方案。此型号环形激光器,在国内是首创,在国外也没有先例,没有任何资料可 以借鉴,全凭自己去探索。高伯龙采取先进行理论探索、再全力攻关工艺技术的方法,组织科研人员在镀膜理论、改造镀膜机、监控、检测等方面,展开全面攻关, 取得了多方面的进展。

1993年年底,攻关进入关键时期,距离有关部门的时间要求只有一年了。

高伯龙毫不含糊地立下“军令状”:保证按期交出工程样机。

经历五个多月的研究,他指导的刚毕业的一位博士终于摸索出了一套崭新的镀膜方案,镀出的膜片顺利通过了试验。

为了检验膜片水平,高伯龙决定利用该项镀膜技术,先做一支全内腔绿色激光管,结果用了一周时间便完成了,而且一次发光,使中国成为继美国、德国之后第三个掌握此技术的国家。

某型环形激光器的一切难题迎刃而解!1994年11月,我国第一个环形激光器顺利通过国家鉴定。在此基础上,他们又相继攻克了一系列基础理论和核心关键技术,掌握了拥有完全自主知识产权的环形激光器研制生产技术。

成功的背后是常人无法想像的艰辛。30多年来,团队成员每年平均加班达1500个小时,多的达到2000小时以上,一年相当于普通人3年的工作量。高伯龙常年哮喘,疲劳后发作会更厉害。为了不影响工作,他长期超剂量服用药物,靠超剂量药物支撑着疾病缠身的躯体。

正是靠着这股坚韧执著的精神,他们一步步将我国的环形激光器技术推向了国际前沿。如今,他们研制的环形激光器,已形成多种型号批量生产能力,打破了国外在这一领域的封锁垄断,有效满足了我国航空、航天、航海和部队信息化建设紧迫需求。

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