编者按:

可调谐(气体)激光技术国家级重点实验室依托哈尔滨工业大学,于1997年4月批准对外开放运行。该实验室的建立标志着哈尔滨工业大学在可调谐激光技术、非线性光学技术、激光空间通信等方面建成了国内一流的先进研究平台,对提高我国光电子技术的自主创新能力,缩小与国际先进水平的差距具有重要意义。

在今天发达的互联网上,关于这一实验室的消息仍屈指可数,以上这段话是对它最详细的介绍。这一实验室的“神秘性”令人好奇、向往。今天,中国激光将揭开实验室的神秘面纱,带领大家走进它、认识它。

卫星激光通信:构建空间信息网络的核心

卫星激光通信技术是建立天基卫星激光高速信息网络的核心技术。建立我国空间激光高速实时信息网络,构建天地一体化的信息网络,建设强大的信息系统国度,掌控空间信息主动权,对我国的空间战略发展具有重大意义。

1991年,哈尔滨工业大学卫星激光通信团队在我国率先开展了卫星激光通信技术研究。

2011年,成功进行了我国首次低轨卫星星地激光通信试验。

2017年5-8月,成功进行了国际上首次同步卫星与地面双向高速激光通信,数据率每秒5吉。创造了多项国际第一。

在马晶和谭立英教授带领下,卫星激光通信技术重点学科实验室已突破卫星激光通信终端技术、卫星激光链路系统技术和卫星高速激光通信网络系统技术,研制了星间、星地系列卫星激光通信终端30余台套,卫星激光通信终端已实现6代产品技术的发展更新,终端已实现小型化、一体化、轻量化,技术水平国际一流。

目前,该项技术完成了成果转化,空间激光通信终端的研制和生产能力居国际前列,可以满足我国建立卫星实时动态高速激光通信测距组网的需求。这将使我国在空间信息战略领域处在世界之巅。

26年来,团队共获国家及省部级奖项14项,其中包括:2014年获国家技术发明一等奖,2009年获国家技术发明二等奖,2016年获得黑龙江省技术发明特等奖。获有关卫星光通信的国家发明专利授权67项;发表有关卫星激光通信论文300余篇,出版卫星光通信等专著5部。

激光损伤动力学研究实验站:为ICF研究服务

在国家重大专项和学科建设的共同支持下,吕志伟教授课题组建成专门从事高功率激光与物质相互作用研究的实验室——激光损伤动力学实验站。

实验站服务于我国激光驱动惯性约束聚变工程(ICF)光学元件损伤机理研究,同时也是开展高功率脉冲激光与各种物质材料相互作用研究的开放实验平台。

实验站主光源是课题组自主研制的百焦耳级钕玻璃固体激光装置,光束口径Φ60 mm,具备1053 nm、527 nm和351 nm三种波长的切换输出能力,在5 ns方波输出条件下,基频脉冲可达100 J以上。

由于对装置采取了严格的像传递和空间畸变预补偿措施,输出光束具备优异的近场均匀性,全口径光强调制度:1.27:1(1053 nm),1.42:1(351 nm)。

另外,该装置还具备激光脉冲时间波形的任意整形、空间强度分布的任意整形能力,以及激光线宽、谱型等频域特性的调整能力,为各种科学实验提供了非常灵活的光源条件。

整个装置采用全光纤前端+高增益预放+四级钕玻璃主放的MOPA光学结构;采用以桁架立面为基础、以侧悬臂支撑夹持为主的机械结构,是目前国内高校中唯一一套采用“神光-III”结构构架,实现光路高度集成化的激光装置。

实验站配备真空靶室及多台套原位测试设备,包括时间分辨图像测试系统、时间分辨拉曼谱/荧光谱测试系统、喷射体质谱测试系统、损伤增长在线测绘系统等,可以对激光与材料作用过程的各种物理行为进行多角度实验研究。课题组欢迎更多的用户单位来该平台开展工作,更好的发挥其价值和作用。

分布式光纤传感:空间测量的感知神经网

分布式光纤传感可以实现在空间上的连续测量,具有测量距离长、定位精度高等特点,可测量温度、应变和振动等,应用监测领域包括:油气管道,高压电缆光缆,地质灾害(山体滑坡、泥石流等),桥梁、大坝和隧道等大型建筑物以及火灾报警等。

与传统技术相比,分布式光纤传感器具有重量轻、抗恶劣环境、抗电磁干扰、在传感点无需用电这些光纤传感器所共有的优点,此外,它可实现多达数十万个点和长达上百公里的超长距离分布式测量。

董永康教授课题组与加拿大皇家科学院院士鲍晓毅教授合作,在高性能分布式布里渊光纤传感方面取得了国际领先的研究成果:提出了频分复用技术将传感距离提高至150公里;发明了差分脉冲对技术,实现了2 cm的超高空间分辨率;发明了基于布里渊动态光栅的新型多参量(包括温度、应变和压力等)分布式光纤传感技术。研制的高性能分布式布里渊光纤应变监测仪在军工和民用领域都得到了广泛应用。

分布式布里渊光纤传感监测仪

2017年8月,本课题组承担的国家重大科学仪器设备开发专项“分布式光纤应变监测仪”获科技部正式立项,项目总经费4100万。本项目针对大型基础设施、大型结构装备和地质灾害等安全监测国家重大需求,研发具有自主知识产权的分布式布里渊光纤应变监测仪,该项目将极大改善我国的公共安全监测水平,减小经济损失和社会影响。

激光雷达:探测目标的千里眼

哈尔滨工业大学的激光雷达研究经过了二十多年发展,承担了多种体制激光雷达科研项目,累计经费达数千万元,培养数十位博士、硕士,发表两百余篇学术论文,积累了丰富相关科研经验。

“九五”计划期间(1996年~2000年),实验室首先开展了长波红外CO2脉冲外差相干探测激光成像技术,具有较强云雨雾穿透能力,获得3 km 目标激光强度像和距离像。

“十五”计划期间(2001年~2005年),实验室承担探索类重大项目,率先在国内开展闪光式条纹管激光成像雷达技术,突破高灵敏度四维像探测、信息重构等技术,集成了原理样机,获得6 km目标激光图像,是当时已报道的最高技术指标。随后条纹管激光雷达向用户单位推广,研制出两种体制激光成像雷达样机,完成了环境适应性实验,提高了激光雷达工程化水平。


      

7 km处建筑物成像实验(上图:强度像 下图:距离像)

“十一五”计划期间(2006年~2010年),实验室承担工程类重大项目,集成距离选通激光雷达工程样机,完成机载飞行试验,获得飞行对地高分辨激光图像。

自“十一五”计划(2011年~2015年)起,实验室一直研究激光与红外复合成像技术,突破了共口径分光及系统集成等技术,集成了复合成像原理样机。“十三五”采用单光子探测的Gm-APD焦平面探测器,研究小型化高功率激光器、多帧统计信号处理及远场三维目标自动识别技术。目前已获得32×32像元Gm-APD短波红外激光成像雷达远场目标三维距离像。

软X射线激光

毛细管放电方案是利用大电流流过等离子体并产生Z箍缩效应,形成适合软X射线激光放大的轴向均匀的等离子体柱,采用高价离子的能级跃迁获得软X射线激光输出。

自2001年以来,赵永蓬教授课题组一直从事毛细管放电软X射线激光研究工作。先后建造了最大电流20 kA(如下图)和最大电流70 kA两台毛细管放电软X射线激光装置。

毛细管放电软X射线激光装置

在放电电流幅值12 kA时,首次获得了类氖氩(Ar8+)69.8 nm和72.6 nm激光输出,并可同时获得46.9 nm、69.8 nm和72.6 nm多波长激光输出,如下图所示。目前已获得46.9 nm和69.8 nm激光的增益饱和输出,并实现了69.8 nm激光的双程放大。此外,采用26 kA的放电电流已获得46.9 nm激光的深度饱和输出,并正在开展更大电流下软X射线激光的研究工作。利用聚焦后的46.9 nm激光已开展烧蚀大能带隙材料的实验研究工作。

多波长软X射线激光

中远红外可调谐激光

中远红外可调谐激光技术研究团队是国内最早开展中、长波红外激光技术研究的科研团队之一,团队责任教授为姚宝权教授(教育部新世纪优秀人才、黑龙江省杰出青年基金获得者)。

针对国家对中、长波红外固体激光光源的重大应用需求,中远红外可调谐激光技术研究团队围绕中、长波激光光源功率提升、线宽压缩等相关核心问题开展研究工作,取得了多项标志性成果,研究水平跻身国际先进行列。

高功率中红外固体激光器

2μm稳频固体激光器

3-5 μm中红外光学参量振荡器激光输出功率超过40 W(国际最高功率水平),研制的3-5 μm中红外固体激光光源产品已经获得应用。突破了高频率稳定性单纵模种子激光器功率提升、注入锁频固体激光器时序控制等关键技术,实现了1.6 μm和2 μm固体激光器脉冲单频激光输出,填补了1.6 μm和2 μm脉冲单频固体激光器领域的国内空白。相关的研究成果获黑龙江省自然科学一等奖。

太赫兹成像

太赫兹课题组利用2.52 THz、波长100 μm以上的连续太赫兹源,主要研究二维扫描及数字全息成像,如太赫兹二维点扫描透射成像、二维面阵透射扫描成像、二维共焦扫描成像、数字全息成像等。同时,还进行了有关太赫兹测定物体透射率、后向散射特性等的研究。

课题组有特色的研究是太赫兹数字全息成像技术,包括全息成像及利用数学模型对全息成像反演重建。在实验中,离轴数字全息成像系统的分辨率可达0.3 mm,同轴数字全息成像系统的分辨率可达0.2 mm。课题组在Optics Letters、Applied Physics B、Applied Optics、J Infrared Milli Terahz Waves、《中国激光》、《光学学报》等期刊发表多篇论文,凭借对太赫兹成像的研究分别获得了国家自然科学基金、2011年高等学校博士学科点专项科研基金的扶持。

注:取材于CIOP 2017同期活动“参观可调谐(气体)激光技术国家级重点实验室”,该活动受到广大参会代表欢迎。

来源:中国激光