项目介绍

2017年8月，由北京工业大学作为牵头单位，联合中国科学院物理研究所、北京理工大学、山东大学、南京大学等13家单位共同申报的国家重点研发计划“战略性先进电子材料”专项项目—“超短脉冲、单频及中红外激光材料与器件关键技术”获得国家科技部立项支持，项目总经费3959万元。

项目的总体目标是面向高端精密制造、探测、科研等应用需求，研究高峰值功率超快激光核心器件与关键技术，发展高功率超短脉冲啁啾放大技术以及色散补偿和脉冲压缩技术，突破300W精细加工用超快激光器关键技术，探索获得高通量阿秒脉冲激光的方法；突破固体单频激光器及高效高功率中红外激光器关键技术。

本项目集中了国内在激光光源研究领域主要的优势单位和团队。牵头单位北京工业大学在高功率光纤激光器研究领域形成了具有特色的创新体系，在高功率超短脉冲光纤激光器、中红外光纤激光器以及新型光子晶体光纤制备等领域取得了数项国际、国内领先的研究成果。中科院物理所、半导体所、上海光机所、西安光机所在超短脉冲激光领域具有很强的实力和研究基础，特别是中科院物理所在阿秒脉冲的产生、测量等方面取得了数项前沿性研究成果，2013 年在国内首次利用阿秒条纹相机获得160as 的激光脉冲。北京理工大学、山西大学、山东大学、南京大学近年来分别对全固态单频激光器、大功率中红外固体激光器、中红外光学超晶格材料等进行了深入的实验和理论研究，是国内较早涉及相关领域的研究团队。

整个项目分解为四个子课题：

1）高功率、大脉冲能量超快激光器关键技术研究

研究目标：研制高平均功率（数百瓦）、高峰值功率（数十兆瓦）、大脉冲能量（百微焦耳）光纤-晶体材料结合的皮秒超快激光器，用于高端精密加工；解决非线性效应导致的脉冲时域和光谱畸变的问题，发展高功率超短脉冲啁啾放大技术、色散补偿和脉冲压缩技术，实现高功率超快激光核心器件国产化；

牵头单位：北京工业大学王璞教授团队

合作单位：中科院半导体所，中科院合肥物质科学研究院，广东工业大学

（2）高通量阿秒激光装置及先进驱动源关键技术研究

研究目标：研制周期量级飞秒脉冲驱动源和高通量阿秒激光装置，为研究物质结构的超快过程提供理想工具；探索获得CEP稳定的十毫焦耳量级少周期飞秒脉冲的光学理论和技术方法，掌握利用此驱动脉冲获得百纳焦孤立阿秒脉冲的强场理论和关键技术；

牵头单位：中国科学院物理研究所赵昆教授团队
      合作单位：中科院上海光机所，中科院西安光机所，西安电子科技大学

（3）大能量及高功率、低噪声单频激光器关键技术研究
      研究目标：研制大能量及高功率、低噪声单频固体激光器，用于遥感探测、精密测量等；解决人眼安全波段1645 nm固体激光器大能量单频运转的技术和1064 nm掺钕固体激光器高功率单频输出的技术，解决激光噪声抑制、注入锁定、位相控制和能量放大等关键技术；
     牵头单位：北京理工大学高春清教授团队
     合作单位：山西大学

（4）高功率、宽调谐中红外激光器关键技术研究
     研究目标：研制高功率、宽调谐中红外激光器，广泛应用于环境监测、医学诊断、红外成像等领域。掌握大尺寸高质量中红外OPO非线性光学晶体的设计与制备方法，突破大功率宽调谐中红外激光器的关键技术，实现高功率宽调谐于一体的中红外激光器样机。
     牵头单位：山东大学何京良教授团队
     合作单位：南京大学，天水师范学院

课题1 和课题2 与超短脉冲激光器有关；课题3 是单频固体激光器研制；课题4 是高效高功率宽调谐中红外激光器关键技术的研究。课题1 基于光子晶体光纤的皮秒激光器、课题3 低噪声单频连续波1064nm 激光器的研究成果可以为课题4 高功率、宽调谐中红外激光器提供泵浦源，课题1 拉制的光子晶体光纤可以用于课题2 高能量飞秒驱动源，同时课题4 也可以为课题2 飞秒驱动源提供泵浦源。各课题相互独立又相互依托，体现了“强强联合、优势互补、集中攻坚”的整体研究思路：

研究意义

激光技术是21 世纪最具发展前途的前沿技术之一，在工业制造、精密测量、科学研究、****等领域有着广泛的应用，受到各发达国家的高度重视。在国家“创新驱动”和“中国制造2025”强国战略大背景下，科技创新和需求牵引是推动激光技术不断向前发展的主要动因。其中，基于新型激光材料与器件的各种新型激光光源的前沿性突破将为下一代激光技术的飞速发展和广泛应用奠定基础。从世界范围看，新型激光光源总体向着更高功率、更高亮度、更大脉冲能量、更短脉宽以及更宽波长范围（极紫外、中红外波长）等方向发展。

高功率皮秒脉冲激光方面，西方国家一直处于领先地位。2015 年，德国斯图加特大学利用固体碟片技术获得平均功率1.4 kW、脉冲能量4.7 mJ、脉冲宽度7.7 ps、重复频率300 kHz 的大能量脉冲输出；德国Edgewave公司也已经推出了平均功率400 W，脉冲宽度10 ps的固体激光器产品，是目前国际上同类产品的最高水平；2016 年上海光机所通过自制超大模场面积光子晶体光纤获得了平均功率255 W、脉冲宽度21 ps、重复频率10 MHz 的脉冲输出，同年北京工业大学在2 μm波段获得了240 W 的45 ps激光脉冲输出，但峰值功率均相对较低。

阿秒脉冲激光方面，德国马普量子光学所总体居于国际领先地位。2012 年，美国中佛罗里达大学产生了67 as 的激光脉冲输出，该结果迄今仍保持着最短相干脉冲的世界记录，但脉冲能量只有纳焦量级；2013 年，日本理化研究所利用多色场驱动产生了微焦量级的孤立阿秒脉冲，但脉宽长达500 as。同年，中科院物理所利用载波包络相位（CEP）锁定的5 fs 激光源，通过高次谐波和孤立阿秒脉冲产生的实验研究，在国内实现了首个160 as 脉冲的产生和测量。

大能量及高功率固体单频激光方面，西方国家也具较高水平。美国Coherent公司利用Er/Yb共掺光纤激光器泵浦Er:YAG激光器，获得了脉冲能量为16 mJ的1645 nm 单频激光脉冲输出；2008 年，德国获得了输出功率达213 W 的单频连续波1064 nm 激光输出，但该装置采用前后两级放大，系统体积庞大且不利于整个激光系统的稳定运转；2016 年，北京理工大学实现了半导体泵浦的单频脉冲Er:YAG激光器，获得10.1 mJ的1645 nm 脉冲输出，山西大学也成功研制出输出功率达33 W 的单频连续波1064 nm 和30 W 的单频连续波532 nm 激光器样机。

中红外宽调谐激光方面，2013 年，法国约瑟夫傅里叶大学通过改变晶体的有效调谐周期，获得了1.4~4.3 μm 波段可调谐输出；最近，英国Conversion 公司又推出了覆盖1.4~4.15 μm 波长可调的中红外激光器。国内哈尔滨工业大学等单位利用ZnGeP等非线性材料获得了3.0~5.0 μm 高功率中红外激光，但这些晶体不能使用目前最成熟的近红外激光进行泵浦，并且调谐范围有限。中国工程物理研究院于2008 年利用PPLN-OPO 实现了3.8 μm 波段11.2 W 输出； 2016 年，山东大学利用PPLN-OPO 实现了瓦级纳秒宽调谐3.0~3.9 μm 和皮秒宽调谐2.68~3.02 μm 中红外激光输出。国内覆盖1.5~5.0 μm 范围的可调谐激光器尚未见报道。

由此可见，我国在激光技术前沿领域和国外相比尚有较大的差距，许多关键技术有待突破，开展高功率超快激光器、单频激光器以及中红外激光器的攻关研究非常必要。

项目启动
       2017年9月该项重点研发计划的项目启动会暨课题实施方案论证会在北京工业大学召开。科技部高技术中心处长史冬梅，专项主管杨斌，项目专家王立军院士、吕志伟教授、杨中民教授等10余位激光领域资深专家，北京工业大学党委副书记、校长柳贡慧，校长助理、总会计师李国俊，项目总体负责人王璞教授，项目子课题负责人以及主要研究人员共50余人参加了启动会。

为保证项目的顺利实施，该项目特聘请了余丽波研究员、樊仲维研究员担任项目责任专家，以及周炳坤院士、周立伟院士、王立军院士、刘泽金教授、吕志伟教授等13位激光领域资深专家作为项目咨询专家，为项目的实施和管理进行全程指导和监督，以便科学合理地开展各项研究工作。

启动会上，项目负责人王璞教授以及项目的4个子课题负责人分别就各自课题的实施方案进行了汇报，与会专家认真听取了项目和课题的方案汇报，一致认为项目课题设置合理、技术路线先进、各课题承担单位实力突出，并对各课题进一步有效实施、技术指标等提出了建议性意见。科技部高技术中心杨斌处长在讲话中对项目管理、实施质量和成效、内控制度和财务制度等工作提出了具体要求。启动会的召开标志着该项国家重点研发计划项目的正式实施，并为项目及相关子课题的高效有序推进、项目目标的顺利实现提供保障。

成果展望
      本项目的顺利实施必将在超短脉冲激光器、固体单频激光器以及中红外激光器研究领域产生一系列国际先进的原创性成果，大大缩短我国与国外在相关研究领域的差距，实现从“前沿性研究”到“工程化样机”质的飞跃，最终为实现我国从核心器件到激光技术全面优势提供坚实的基础。

来源：北京工业大学激光院