陳良堯 錢列加 徐 敏 趙海斌

（復(fù)旦大學(xué)光科學(xué)與工程系，上海 200433）

復(fù)旦大學(xué)光學(xué)學(xué)科的發(fā)展歷史悠久.早在1954年，復(fù)旦大學(xué)就建立了以周同慶教授（我國(guó)著名光物理學(xué)家，中科院學(xué)部委員）為主任的光學(xué)教研室.教研室的中青年教師于1964年研制出氦-氖等多種氣體激光器后，推動(dòng)了復(fù)旦大學(xué)在各類激光器（如氮分子激光器、染料激光器）及相關(guān)元器件（如電光調(diào)制器等）、激光技術(shù)、激光應(yīng)用及激光物理等領(lǐng)域的研究進(jìn)展，取得了許多成果，研究隊(duì)伍迅速擴(kuò)大，于1978年1月成立了以章志鳴教授為主任的激光物理研究室.

復(fù)旦大學(xué)激光物理研究室從1978年開(kāi)始招收碩士研究生，1981年被批準(zhǔn)為光學(xué)學(xué)科碩士點(diǎn).經(jīng)過(guò)教師與研究生的共同努力，從1978年至1983年間，研究室在激光物理研究上取得了很大的進(jìn)展.在1983年廣州舉行的國(guó)際激光會(huì)議上，研究室有10篇論文全被錄用在會(huì)上作口頭報(bào)告，給到會(huì)的國(guó)內(nèi)外專家留下很深的印象.1984年光學(xué)學(xué)科被批準(zhǔn)為光學(xué)博士點(diǎn)，章志鳴教授同時(shí)被批準(zhǔn)為博士生導(dǎo)師.2003年設(shè)立光學(xué)工程碩士點(diǎn)，2011年批準(zhǔn)建立光學(xué)工程學(xué)科博士點(diǎn).

復(fù)旦大學(xué)光學(xué)學(xué)科于1988年被批準(zhǔn)為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)學(xué)科.同年國(guó)家批準(zhǔn)在激光物理實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上，建立“三束材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”復(fù)旦分部.在1988年全國(guó)重點(diǎn)學(xué)科評(píng)估中，本學(xué)科排名全國(guó)第一；在1993年全國(guó)博士點(diǎn)評(píng)估中，本學(xué)科博士點(diǎn)排名為光學(xué)學(xué)科博士點(diǎn)全國(guó)第三名（高校第一名）.由于本學(xué)科點(diǎn)在科研上的突出成績(jī)，從1978年至1990年，曾有13個(gè)項(xiàng)目獲得省部級(jí)以上的獎(jiǎng)勵(lì).激光物理研究室于1990年獲得國(guó)家科委與國(guó)家教委共同頒發(fā)的《全國(guó)高等學(xué)?？茖W(xué)研究先進(jìn)集體》的稱號(hào).1994年，本學(xué)科被確定為“211工程”重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科.目前光學(xué)與光學(xué)工程學(xué)科的研究基地還有“復(fù)旦大學(xué)上海超精密光學(xué)制造工程技術(shù)研究中心”以及“微納光子結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”.

1953年3月底復(fù)旦大學(xué)成立了X光管研制實(shí)驗(yàn)室，由周同慶任主任，方俊鑫任副主任，華中一為廠代表.經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的艱苦努力，解決了真空鑄靶、陰極設(shè)計(jì)、銅與玻璃的管狀封接等一系列關(guān)鍵技術(shù)，并制定了排氣和除氣規(guī)范等一系列工藝規(guī)程文件，于1953年秋試制成功我國(guó)第一個(gè)醫(yī)用封閉式X光管.X光管的研制成功，填補(bǔ)了我國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域的空白，節(jié)省了大量外匯，并使我國(guó)電真空器件的設(shè)計(jì)和制造步入了新的階段，推動(dòng)了我國(guó)高真空技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也充實(shí)了教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)質(zhì)量.1954年1月，在《科學(xué)通報(bào)》上發(fā)表了技術(shù)報(bào)告，5月2日在同一刊物上發(fā)表了《研制X光管工作的新結(jié)果》，正式宣布了研制成功.

1960年，國(guó)際科技界出現(xiàn)了20世紀(jì)最重要的科技發(fā)明之一——第一臺(tái)紅寶石激光器，第二年（1961）國(guó)際上又報(bào)道了第一臺(tái)氦-氖氣體激光器研制成功.在這樣的背景下，復(fù)旦大學(xué)光學(xué)教研組的章志鳴、李富銘、朱昂如等教師從1962年開(kāi)始進(jìn)行氣體激光器及多層介質(zhì)高反射率膜的研制工作，于1964年年初研制成功我國(guó)高校第一臺(tái)氦-氖氣體激光器；其后相繼研制成功了氦-氙氣體激光器、氦-汞氣體激光器及氬弧氣體激光器等.1974年李郁芬教授領(lǐng)導(dǎo)的科研組研制成功中國(guó)第一臺(tái)染料激光器，只比國(guó)際上第一臺(tái)染料激光器晚了約兩年時(shí)間，這項(xiàng)成果于1977年獲得上海市重大科技成果獎(jiǎng).

20世紀(jì)60年代初，電介質(zhì)晶體物理教研組的教師在方俊鑫帶領(lǐng)下積極進(jìn)行KDP電光調(diào)制器及氯化亞銅晶體紅外光調(diào)制器的研制工作，并于1965年研制成功兩套光通信演示系統(tǒng)：（1）氦-氖激光KDP調(diào)制兩路信號(hào)光通信演示系統(tǒng)；（2）氦-氙激光氯化亞銅晶體紅外光通信演示系統(tǒng).

上述這些激光器及光通信演示系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先的科研成果，于1965年10月送往北京在“高教部直屬高?？蒲谐晒褂[會(huì)”上展出.在這一展覽會(huì)上展出的復(fù)旦展品還有以蔡祖泉為首研制成功的各種新型電光源（如大功率高壓汞燈、鈉燈等）及以華中一為首研制成功的高靈敏度電離真空規(guī)等產(chǎn)品.在該展覽會(huì)上復(fù)旦的展品有聲（光通信演示）有色（各種激光不同顏色），給參觀者留下非常深刻的印象，當(dāng)時(shí)有人稱贊說(shuō)“復(fù)旦大學(xué)是一所光的大學(xué)”.在各個(gè)高校中復(fù)旦的成果是名列前茅的.該展覽會(huì)至1966年4月結(jié)束，參觀者都是全國(guó)各部委的科技人員、各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)及部分國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人（如朱德、鄧小平等），本來(lái)周恩來(lái)總理也計(jì)劃來(lái)參觀，后因“文革”爆發(fā)而未能實(shí)現(xiàn).

1980年在李郁芬與葉衍銘教授領(lǐng)導(dǎo)下開(kāi)展的染料激光對(duì)于眼科治療的研究形成了染料激光在眼科中的臨床應(yīng)用，獲上海市重大科技進(jìn)步三等獎(jiǎng).在葉衍銘與上海燈泡五廠共同奮斗下發(fā)明了體積緊湊的高效染料激光同軸氙燈，形成染料激光在眼科應(yīng)用新的一項(xiàng)專利后，突破了笨重的液體染料激光難于加載在精巧的眼科治療儀器裂隙燈的瓶頸，成功實(shí)現(xiàn)了臨床應(yīng)用.1990年Ⅳ型樣機(jī)出現(xiàn)后順利進(jìn)行商品轉(zhuǎn)化，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了貢獻(xiàn).1985年染料激光眼科治療機(jī)獲國(guó)家教委科技優(yōu)秀成果獎(jiǎng)，1986年Ⅱ型染料激光眼科治療機(jī)獲上海市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，1996年染料激光眼科治療機(jī)專利獲（國(guó)家級(jí)）技術(shù)發(fā)明三等獎(jiǎng).

20世紀(jì)80年代初復(fù)旦大學(xué)趙煥卿教授的課題組在國(guó)內(nèi)首先研制出光學(xué)頻譜分析系統(tǒng)中的關(guān)鍵性元件64元楔環(huán)陣列探測(cè)器.該探測(cè)器性能與國(guó)外產(chǎn)品相當(dāng).利用64元楔環(huán)陣列探測(cè)器，復(fù)旦大學(xué)首次在國(guó)內(nèi)研制出混合型光學(xué)頻譜分析系統(tǒng)（OPSA）.該探測(cè)器和系統(tǒng)研制成功后，曾提供給山東海洋學(xué)院（中國(guó)海洋大學(xué)前身）等多家單位，進(jìn)行海洋遙感圖片中海浪波紋分析、衛(wèi)星或者航空遙感圖片的地物分類、醫(yī)學(xué)中癌細(xì)胞和帶菌細(xì)胞篩選和識(shí)別、工業(yè)中產(chǎn)品質(zhì)量的快速自動(dòng)檢測(cè)和分類.“光學(xué)計(jì)算機(jī)混合功率譜特征采集系統(tǒng)及其應(yīng)用”獲得了1988年國(guó)家教委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng).

近年來(lái)，復(fù)旦大學(xué)在先進(jìn)光譜學(xué)分析測(cè)試技術(shù)、超短超強(qiáng)激光檢測(cè)技術(shù)、超精密光學(xué)制造與檢測(cè)等方面作了大量研究，并取得了良好的應(yīng)用效果.其中陳良堯教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組，先后研制成功“可見(jiàn)光區(qū)的全自動(dòng)入射角和波長(zhǎng)掃描的橢圓偏振光譜儀”“二維雙傅里葉變換的紅外橢圓偏振光譜儀”“磁光克爾和法拉第光譜儀”“二維克爾磁光效應(yīng)分析儀”“高分辨二維折疊光譜分析儀”等一系列先進(jìn)光譜學(xué)測(cè)試設(shè)備，在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了較大影響.錢列加教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組實(shí)現(xiàn)了特種設(shè)備“脈沖信噪比單次測(cè)量?jī)x”在超短超強(qiáng)激光裝置中的良好應(yīng)用.徐敏教授團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)的上海市超精密光學(xué)制造技術(shù)工程研究中心在國(guó)家02重大專項(xiàng)等項(xiàng)目支持下，在硬脆光學(xué)材料異形表面與結(jié)構(gòu)的超精密制造技術(shù)中獲得突破和應(yīng)用.

紅外和可見(jiàn)光區(qū)的全自動(dòng)入射角和波長(zhǎng)掃描的橢圓偏振光譜儀

在國(guó)際上首次采用空軸微分步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)、雙傅里葉變換光譜分析技術(shù)、單元／面陣CCD光電探測(cè)技術(shù)，以1∶2系數(shù)分別同步控制起偏器和檢偏器的方位角，無(wú)須分步驟測(cè)量直流信號(hào)和暗電流，經(jīng)傅里葉光譜分析，高速自洽獲得兩組完整的橢偏參數(shù)，可靠解決了從光學(xué)、機(jī)械、電子、軟件、數(shù)據(jù)分析、整機(jī)到推廣應(yīng)用等一系列關(guān)鍵問(wèn)題，通過(guò)測(cè)量分析，能夠精確獲得光電子功能材料的光學(xué)常數(shù)和結(jié)構(gòu)等參數(shù)，包括復(fù)介電函數(shù)、復(fù)折射率、吸收系數(shù)和反射率等的光譜值，性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際同類橢圓偏振光譜儀的先進(jìn)水平.其中 （1）全自動(dòng)入射角和波長(zhǎng)掃描的橢圓偏振光譜儀（圖1）達(dá)到的主要指標(biāo)為：波長(zhǎng)250～850nm，分辨率0.5nm，入射角20～90°，分辨率0.01°，橢偏參數(shù)分辨率0.01°；（2）二維雙傅里葉變換的紅外橢圓偏振光譜儀（圖2）達(dá)到的主要指標(biāo)為：波長(zhǎng)1～5μm，分辨率1.0nm，入射角20～90°，分辨率0.01°，橢偏參數(shù)分辨率0.01°.

圖1 全自動(dòng)入射角和波長(zhǎng)掃描的橢圓偏振光譜儀

這些儀器成果實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，由上海雨克電子科技有限公司等企業(yè)生產(chǎn).應(yīng)用單位包括：德國(guó)愛(ài)來(lái)根-紐倫堡大學(xué)，香港中文大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)，上海交大，同濟(jì)大學(xué)，安徽大學(xué)，黑龍江大學(xué)，華中師范大學(xué)，深圳大學(xué)，合肥工業(yè)大學(xué)，山東大學(xué)，成都電子科技大學(xué)，安慶師范學(xué)院，貴州大學(xué)，北京工業(yè)大學(xué)，云南大學(xué)，東華大學(xué)，南京航空航天大學(xué)，暨南大學(xué)，上海技物所，上海光機(jī)所，上海硅酸鹽所，福建物構(gòu)所等高校研究所，為這些科研單位和企業(yè)完成如“863”“973”、科技攻關(guān)、自然科學(xué)基金等科技項(xiàng)目提供了高品質(zhì)國(guó)產(chǎn)儀器和設(shè)備，取得了顯著的社會(huì)效果和應(yīng)用價(jià)值，多次獲得國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì).

圖2 二維雙傅里葉變換的紅外橢圓偏振光譜儀

高分辨二維折疊光譜分析儀

高精度光譜成像分析在科學(xué)研究和工業(yè)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，覆蓋了從紫外、可見(jiàn)到紅外的寬廣光譜區(qū)，是現(xiàn)代光譜分析儀器的核心和基礎(chǔ).國(guó)際上已進(jìn)行了艱苦努力來(lái)改進(jìn)光譜分析技術(shù)，但受到光柵和棱鏡色散元件以及探測(cè)器物理限制，仍難以在一臺(tái)光譜儀中同時(shí)實(shí)現(xiàn)3項(xiàng)關(guān)鍵功能：（1）無(wú)縫波長(zhǎng)連接的寬光譜工作區(qū)；（2）高分辨率；（3）快速測(cè)量時(shí)間.

復(fù)旦大學(xué)陳良堯教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組采用時(shí)間并聯(lián)模式的快速光譜信息獲取的新原理和方法，在國(guó)際上首次研制完成了高分辨多光柵二維折疊光譜分析儀（圖3），充分利用二維陣列探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)，在一臺(tái)光譜儀中，同時(shí)滿足寬光譜區(qū)、高分辨率和全譜快速測(cè)量的3項(xiàng)關(guān)鍵功能要求.研究中采用10塊子光柵構(gòu)成一個(gè)光柵陣列，克服了面陣探測(cè)器信號(hào)張角限制，分別在200～1000nm通用光譜區(qū)和1450～1650nm通信光譜區(qū)，通過(guò)雙焦距光學(xué)系統(tǒng)，將一維268mm和96mm光譜探測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行二維10重折疊，快速成像在二維面陣探測(cè)器的焦平面上，無(wú)任何機(jī)械位移部件，實(shí)現(xiàn)了全光譜高精度快速測(cè)量和分析，分辨率優(yōu)于0.1nm，全譜測(cè)量時(shí)間小于0.1s.研究中可靠解決了從二維光譜分析原理、光學(xué)設(shè)計(jì)、工藝到軟件分析的一系列問(wèn)題.新型光譜儀具有全譜響應(yīng)均勻和無(wú)縫波長(zhǎng)連接、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)簡(jiǎn)定標(biāo)、寬光譜區(qū)、高分辨率、全譜高速測(cè)量和高可靠性等顯著優(yōu)點(diǎn).二維10光柵折疊光譜儀達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：250nm焦距，200～1000nm光譜區(qū)，0.07nm分辨率，10ms全譜測(cè)量時(shí)間，16-Bits動(dòng)態(tài)范圍，（295×215×130）mm3緊湊型體積，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種光譜信號(hào)的高精度和高可靠性快速測(cè)量分析.其原理和方法在亞波長(zhǎng)微納薄膜結(jié)構(gòu)的原位寬光譜動(dòng)態(tài)特性調(diào)控分析中獲得應(yīng)用，體現(xiàn)了我國(guó)在國(guó)際光譜學(xué)前沿研究領(lǐng)域的重要原創(chuàng)貢獻(xiàn)，分別獲得國(guó)際《激光聚焦世界》和《光電子光譜》期刊的全文專題介紹和積極評(píng)價(jià).隨著高性能面陣光電探測(cè)器的普及，高精度二維折疊光譜將成為主流光譜分析技術(shù)在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)推廣應(yīng)用.

圖3 二維10光柵折疊光譜儀

磁光克爾和法拉第光譜儀，二維磁光克爾效應(yīng)分析儀

圖4 磁光克爾與法拉第光譜儀

在國(guó)際上首次采用旋轉(zhuǎn)檢偏器和無(wú)色1／4波長(zhǎng)器結(jié)合的技術(shù)、傅里葉光譜分析技術(shù)，在200～850nm光譜區(qū)，實(shí)現(xiàn)磁光克爾和法拉第旋轉(zhuǎn)角和橢偏率光譜的完整測(cè)量分析（圖4），并在國(guó)際上首次采用由分區(qū)永磁鐵集成組成的均勻橫向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)強(qiáng)度連續(xù)可調(diào)，結(jié)合面陣CCD磁光克爾成像分析方法，實(shí)現(xiàn)了磁性樣品的二維磁光克爾效應(yīng)的高精度測(cè)量和分析（圖5）.應(yīng)用于復(fù)旦大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、南京大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等單位的科研項(xiàng)目，促使優(yōu)質(zhì)完成國(guó)家項(xiàng)目.

特種設(shè)備“脈沖信噪比單次測(cè)量?jī)x”在超短超強(qiáng)激光裝置中的應(yīng)用

超短超強(qiáng)激光是當(dāng)今時(shí)代最激動(dòng)人心的世界性技術(shù)競(jìng)賽之一，是支撐國(guó)家安全、聚變能源和重大科學(xué)前沿研究的核心裝備.脈沖信噪比（即主峰強(qiáng)度與噪聲的比值）是激光聚焦光強(qiáng)走向極端強(qiáng)場(chǎng)狀態(tài)的新挑戰(zhàn)，被形象地描述為“信噪比不高、強(qiáng)場(chǎng)不強(qiáng)”.如何實(shí)現(xiàn)超高信噪比（＞109）是超短超強(qiáng)激光的核心科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，而單次測(cè)量是解決信噪比問(wèn)題的先決條件.之前在世界范圍內(nèi)，信噪比單次測(cè)量只是處于摸索階段，最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)“測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍”僅限于106～107，遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到工程應(yīng)用的要求（＞109）.

圖5 二維磁光克爾效應(yīng)分析儀

作為臨時(shí)性的技術(shù)措施，國(guó)際上開(kāi)發(fā)了時(shí)間延時(shí)掃描型的脈沖信噪比測(cè)量?jī)x，動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)可以達(dá)到或超過(guò)1010，其典型代表是法國(guó)Amplitude Tech公司的脈沖互相關(guān)儀（Sequoia），它適用于重頻工作的低功率飛秒激光或超短超強(qiáng)激光裝置的前端級(jí).然而，實(shí)際的超短超強(qiáng)激光裝置往往只能工作在單次狀態(tài)，因此可單次測(cè)量信噪比的脈沖互相關(guān)儀是必不可少的研究手段.雖然百太瓦峰功率的鈦寶石強(qiáng)激光系統(tǒng)可以工作在較低的重復(fù)頻率（0.1～10Hz），但這樣的掃描型測(cè)量過(guò)程非常耗時(shí)（以小時(shí)為計(jì)算單位），僅能檢驗(yàn)最終的脈沖信噪比指標(biāo)，不足以達(dá)到優(yōu)化調(diào)試系統(tǒng)和提升信噪比的更高目標(biāo).

脈沖信噪比測(cè)量實(shí)際上就是要高動(dòng)態(tài)范圍地測(cè)量很大時(shí)間窗口內(nèi)的脈沖強(qiáng)度分布，從而準(zhǔn)確地衡量時(shí)間窗口中央的脈沖主峰高度和兩側(cè)邊緣的脈沖次峰及噪聲的谷底.由于二階相關(guān)函數(shù)的天然對(duì)稱性，用于測(cè)量飛秒脈沖寬度的非線性自相關(guān)方法不能表征信噪比，必須采用三階互相關(guān)方法.測(cè)量信噪比的互相關(guān)技術(shù)難度高，其原理則非常簡(jiǎn)單（圖6（a））：它由取樣脈沖、相關(guān)過(guò)程和多點(diǎn)平行探測(cè)等3個(gè)主要單元組成.待測(cè)脈沖作為互相關(guān)器的一束光，另一束光則是更為干凈的取樣脈沖，它可以是待測(cè)脈沖的二倍頻（SHG）光，最后通過(guò)兩者的非線性和頻（SFG）或差頻（DFG）過(guò)程實(shí)現(xiàn)互相關(guān)并獲取待測(cè)脈沖的結(jié)構(gòu)分布信息.由于涉及兩個(gè)級(jí)聯(lián)的二階非線性過(guò)程，這樣的測(cè)量方法被稱為三階互相關(guān).延時(shí)掃描型的互相關(guān)儀Sequoia就是采用了以上這種方式.不同于掃描測(cè)量，單次互相關(guān)測(cè)量的核心是構(gòu)建時(shí)間窗口以及后續(xù)的列陣式光電探測(cè)器.通常采用寬光束的非共線來(lái)產(chǎn)生單次測(cè)量的時(shí)間窗口（圖6（a）），這是一種從時(shí)間到空間的編碼.

圖6 （a）基于倍頻／和頻過(guò)程的三階互相關(guān)單次測(cè)量.待測(cè)光（深色）與取樣光（淺色）在非線性晶體中發(fā)生非共線和頻作用，產(chǎn)生的和頻光（藍(lán)線）沿x維的空間強(qiáng)度分布反映了待測(cè)光的時(shí)間強(qiáng)度分布；（b）基于長(zhǎng)波長(zhǎng)（OPA）取樣的單次互相關(guān)器裝置圖

針對(duì)信噪比單次測(cè)量這一世界性強(qiáng)激光技術(shù)難題，錢列加教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了特種設(shè)備“脈沖信噪比單次測(cè)量?jī)x”，已經(jīng)成功應(yīng)用于國(guó)家多個(gè)重大項(xiàng)目的建設(shè)任務(wù).以下簡(jiǎn)單綜述自2008年以來(lái)團(tuán)隊(duì)在信噪比單次測(cè)量方面的新構(gòu)思、技術(shù)發(fā)明和工程應(yīng)用等創(chuàng)新成效.

提出了互相關(guān)器的新構(gòu)思[1].時(shí)間窗口是信噪比單次測(cè)量的一個(gè)重要指標(biāo)，在給定光束口徑的情況下，它由待測(cè)和取樣脈沖激光的非共線夾角決定.以往研究中采用短波長(zhǎng)的倍頻光作為互相關(guān)的取樣脈沖，由于受和頻過(guò)程位相匹配條件的限制，所允許的最大非共線夾角僅在度的量級(jí).基于飛秒光參量放大器（OPA）的“長(zhǎng)波長(zhǎng)取樣脈沖”的新構(gòu)思（圖6（b）），可有效破解位相匹配對(duì)非共線夾角的限制.如采用周期性極化調(diào)制的鈮酸鋰晶體（PPLN）和中紅外取樣脈沖，則可實(shí)現(xiàn)非共線夾角達(dá)90°的側(cè)向互相關(guān).據(jù)此，可將時(shí)間窗口增大到80ps／cm，比以往方式提高了約一個(gè)量級(jí).長(zhǎng)波長(zhǎng)取樣脈沖的方式還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它使得互相關(guān)和頻信號(hào)的波長(zhǎng)處于可見(jiàn)光波段，更好地對(duì)準(zhǔn)了探測(cè)器的波長(zhǎng)響應(yīng)靈敏區(qū)，從而大幅提升信噪比單次測(cè)量的整體性能。

高動(dòng)態(tài)范圍的光電探測(cè)器是信噪比單次測(cè)量的一個(gè)關(guān)鍵。單點(diǎn)式的光電倍增管（PMT）是最靈敏的高動(dòng)態(tài)范圍探測(cè)器，但它不能直接用于需要多點(diǎn)平行探測(cè)的單次測(cè)量。為此，團(tuán)隊(duì)發(fā)明了光纖列陣／光電倍增管探測(cè)系統(tǒng)（美國(guó)專利）[2]。如圖6（b）所示，通過(guò)128根不同長(zhǎng)度的光纖，將一系列空間平行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一列時(shí)間串行數(shù)據(jù)，使得PMT能夠兼容單次測(cè)量[3].結(jié)合每根光纖的可變衰減器，光纖列陣／光電倍增管探測(cè)系統(tǒng)原理上可以提供超過(guò)1012的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，成為脈沖信噪比單次測(cè)量的核心技術(shù).

在實(shí)際應(yīng)用中，具備高的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍并不代表就能將脈沖信噪比“測(cè)得準(zhǔn)”.測(cè)量過(guò)程必須是高保真度的，不能有測(cè)量過(guò)程中引入的假背景噪聲和假尖峰結(jié)構(gòu)的“污染”.由于單次測(cè)量中必要的時(shí)空編碼，互相關(guān)信號(hào)的任何空間畸變都有可能被轉(zhuǎn)換為對(duì)脈沖測(cè)量有害的時(shí)間域污染.團(tuán)隊(duì)探明了兩類污染源，即由空氣散射引入的背景噪聲污染以及由晶體前后表面菲涅耳反射引入的尖峰結(jié)構(gòu)污染.在此基礎(chǔ)上，發(fā)明了脈沖信噪比的高保真度測(cè)量技術(shù)（美國(guó)專利）[4]，通過(guò)點(diǎn)狀衰減器將脈沖主峰的空氣散射降低到脈沖的真實(shí)本底水平以下，并基于PPLN晶體的可設(shè)計(jì)性，消除了表面菲涅耳反射引入的假尖峰.通過(guò)集成以上各項(xiàng)單元技術(shù)，以高重頻的飛秒激光為測(cè)量對(duì)象，開(kāi)展了與商品化掃描測(cè)量的比對(duì)實(shí)驗(yàn).驗(yàn)證了信噪比單次測(cè)量的保真度[5]，實(shí)現(xiàn)了＞1010的高動(dòng)態(tài)范圍單次測(cè)量能力（圖7（a）），與商品化掃描式互相關(guān)儀的動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)相仿.

團(tuán)隊(duì)研發(fā)了兩個(gè)不同激光波長(zhǎng)版本的信噪比單次測(cè)量?jī)x，分別適用于當(dāng)前主要的釹玻璃（1054nm）和鈦寶石（800nm）兩類超短超強(qiáng)激光.1054nm波長(zhǎng)版本的信噪比單次測(cè)量?jī)x，自2011年起在線應(yīng)用于中科院／中物院上海聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的高能釹玻璃拍瓦激光系統(tǒng)，驗(yàn)證了其當(dāng)前的皮秒脈沖信噪比在106水平（圖7（b）），高于國(guó)際同類激光系統(tǒng)的預(yù)期指標(biāo).作為特種設(shè)備，該信噪比單次測(cè)量?jī)x與拍瓦激光系統(tǒng)一起組成完備的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行裝備，及時(shí)解決了重大專項(xiàng)工程建設(shè)的迫切需求，這也是世界范圍內(nèi)首次成功的信噪比測(cè)量工程應(yīng)用.800nm波長(zhǎng)版本的信噪比單次測(cè)量?jī)x，2014年分別應(yīng)用于中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院物理所光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海交通大學(xué)激光等離子體教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的3套鈦寶石超短超強(qiáng)激光系統(tǒng)，并將于近期開(kāi)展在中國(guó)工程物理研究院的工程應(yīng)用.該特種設(shè)備“信噪比單次測(cè)量?jī)x”的應(yīng)用幾乎覆蓋了我國(guó)所有具備超短超強(qiáng)激光裝置的單位和部門，除此以外，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也表達(dá)了購(gòu)置或合作的意愿.

圖7 （a）單次互相關(guān)器（800nm版本）與Sequoia掃描測(cè)量鈦寶石激光系統(tǒng)的脈沖信噪比（比對(duì)驗(yàn)證）；（b）單次互相關(guān)器（1054nm版本）測(cè)量釹玻璃拍瓦激光系統(tǒng)的脈沖信噪比（測(cè)量數(shù)據(jù)由中科院／中物院上海聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室提供）

根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)信噪比單次測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展的分析與展望，現(xiàn)有技術(shù)包括以上的單次測(cè)量設(shè)備以及國(guó)際掃描測(cè)量產(chǎn)品在內(nèi)，均無(wú)法提供額外的空間分辨能力，只能局限于對(duì)傳統(tǒng)的純時(shí)間型脈沖噪聲的測(cè)量與診斷.然而基于團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的單次測(cè)量技術(shù)，對(duì)互相關(guān)過(guò)程引入空間分辨的另一個(gè)維度，再結(jié)合二維（2D）光纖陣列技術(shù)，就能將傳統(tǒng)的互相關(guān)拓展至2D時(shí)空測(cè)量.這樣全新的時(shí)空互相關(guān)測(cè)量技術(shù)，可被應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域的若干前沿研究，包括加深理解超快激光的時(shí)空噪聲本質(zhì)以及控制超快激光在生物組織中的時(shí)空畸變.

現(xiàn)代超精密光學(xué)制造與檢測(cè)應(yīng)用

復(fù)旦大學(xué)超精密光學(xué)制造技術(shù)工程研究中心定位在先進(jìn)光學(xué)設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造學(xué)科領(lǐng)域，主要面向光電材料與超精密加工與檢測(cè)技術(shù)，目前該方向主要承擔(dān)任務(wù)是國(guó)家點(diǎn)火重大專項(xiàng)基于KDP和DKDP晶體的超精密加工及表面損傷閾值控制的工藝研究，國(guó)家02重大專項(xiàng)硬脆光學(xué)材料功能結(jié)構(gòu)的超精密制造研究等項(xiàng)目.5年來(lái)通過(guò)團(tuán)隊(duì)的努力和學(xué)校的大力支持下，中心在硬脆光學(xué)材料異形表面與結(jié)構(gòu)等的超精密制造與檢測(cè)技術(shù)上獲得突破和應(yīng)用.主要技術(shù)能力包括：（1）單點(diǎn)金剛鉆切削技術(shù)；（2）數(shù)控超聲波銑磨技術(shù)；（3）大口徑數(shù)控拋光；（4）現(xiàn)代光學(xué)零件和系統(tǒng)質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)；（5）復(fù)雜熱成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成；（6）光學(xué)自由面、非球面的加工和檢測(cè)；（7）微結(jié)構(gòu)陣列的加工與檢測(cè)；（8）先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì).目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用有：用于點(diǎn)火工程的各類KDP、DKDP超精密加工與工藝，各種材料紅外整流罩的精密加工與檢測(cè)，紅外二元鏡片的加工，各類照明用微結(jié)構(gòu)陣列的加工，晶元光學(xué)器件制造，離軸光學(xué)非球面的精密加工，硬質(zhì)鋼光學(xué)模具的加工，用于相位調(diào)制的光學(xué)自由面的加工與檢測(cè)等，部分加工后的元器件如圖8所示.

圖8 精密光學(xué)微結(jié)構(gòu)陣列、光學(xué)晶體及高陡度非球面

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