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发展超强超短激光技术——中国科学院上海光学精密机械研究所冷雨欣研究员
2021-04-08
中国科学院上海光学精密机械研究所冷雨欣研究员长期致力于超强超短激光技术发展及其前沿重要应用等方面的研究。近年来，冷雨欣以超强超短激光的发展及重大应用为需求牵引，在国家973计划、国家863计划、国家科技重大专项以及国家重大科研仪器设备研制专项等项目资助下，重点突破创建极端强场、超高信噪比、极端超快（周期量级）、可调谐与新波段、时空特性（如载波包络相位）稳定可控等超强超短激光创新发展中的关键科学技术问题，探索微纳尺度超短激光等新方案。同时，他承担多项国家重要任务，为推动我国超强超短激光技术突破及相关学科发展作出重要贡献。
1 突破超强超短激光系统关键技术
为建立国际先进水平的超强超短激光系统，冷雨欣与团队在信噪比提升、脉冲压缩和电场稳定控制、超强超短激光脉冲放大新技术、工作波长拓展等激光系统关键科学技术创新发展方面开展攻关并取得系列重要研究成果：发明并改进脉冲净化新技术；提出级联中红外光学参量放大（OPA）、非线性光谱展宽和倍频非线性过程的新方案，研制成功波长可调谐的高信噪比的超短脉冲激光源；可实现输出脉冲前后沿信噪比同时提升，更适用于超强超短激光系统信噪比提升，并具有支持周期量级脉宽和载波包络相位（CEP）稳定可控等特点。该技术成功应用于SULF等大科学装置，并取得了显著的应用成果。
在大能量脉冲压缩技术方面，冷雨欣与团队发明激光系统色散优化控制和脉冲带宽放大补偿等系列新技术，有效补偿大啁啾量激光脉冲传输和放大过程中引入的高阶剩余色散和增益窄化，并创新解决了大尺寸光栅精密调节过程中的技术难题，使得在超强超短激光系统放大级增加、脉冲放大能力不断提升的情况下，超强超短激光系统仍旧能够实现高质量的脉宽压缩。
在超强超短激光脉冲放大新技术方面，由于原理上的根本限制和极端强场超快物理研究的新需求，基于以传统激光放大原理为基础的啁啾脉冲放大（CPA）技术存在许多难以克服的缺点和局限性。冷雨欣与团队对基于非线性光学参量啁啾脉冲放大（OPCPA）等新原理的新一代超强超短激光进行了持续和深入研究，在光学参量啁啾脉冲放大超强超短激光等方面，取得了系列国际先进水平的重要创新成果。创新发展了泵浦光和信号光时空精密同步等技术，为提出并实施光同步总体创新方案、在世界上率先创建基于OPCPA新原理的小型化10 TW级超短超强激光装置作出重要贡献。
冷雨欣与团队在超强超短激光波长拓展方面持续创新，进一步将大能量脉冲光谱展宽和周期量级激光脉冲压缩技术扩展，提出了在3～5 μm中红外波段获得近单周期CEP稳定可控强激光脉冲输出的方案，在此基础上，建立了高性能中红外新波段超强超短激光系统，可以获得CEP稳定的4 μm波段0.1 TW周期量级脉宽激光输出，是当前同类研究的理想结果。
2 发展高功率超短脉冲激光高效频率变换技术
高功率短脉冲激光具有较高的峰值功率，可瞬间气化或熔化材料，近似“冷加工”，从而弥补了传统加工方式无法达到的精密和质量需求，已应用于微电子、半导体制造、医疗精密设备、太阳能制造等行业，并将开辟精细加工的新市场。传统工业加工的激光器工作在1 μm波段，而其倍频光、三倍频乃至四倍频激光，由于其波长特殊性所带来的聚焦尺寸更小、特殊材料的吸收等特性，在多个领域有着更为重要的应用需求。为此，冷雨欣面向经济建设主战场，与团队解决了高功率激光频率变换中的效率、热效应以及稳定性等关键技术问题，发展了非共线高功率激光倍频/和频技术、高效率的腔外频率转换技术等，促进了我国相关工业激光技术水平的整体提高和可持续发展，同时推动了相关技术在现有工业产品中的应用，并扩大应用范围，推动了超快激光加工装备在智能制造领域的应用。
近年来，冷雨欣与研究团队面向国际科学前沿和国家重大需求，创新研发超强超短激光系统系列关键技术，建立国际先进水平的超强超短激光系统，发展高功率超短脉冲激光高效频率变换技术，在激光技术研究领域取得丰硕成果。
专家简介
冷雨欣，博士，现任中国科学院上海光学精密机械研究所研究员、副所长，强场激光物理国家重点实验室主任。主要从事超强超短激光技术发展及其前沿重要应用等方面的研究。近5年以通信作者在国际期刊发表论文70余篇，获得授权发明专利20余项（基于激光晶体拼接的折转多通放大装置，ZL201610069230.2；激光啁啾脉冲分束环路光栅压缩器，ZL201510005270.6等），多次应邀在美国、法国等重要国际学术会议上作报告，担任重要国际学术会议（如HPLSE、LPHYS'15、APLS 2016、SPIE PR Laser Damage等）的委员会成员或会议主席。获国家科技进步奖一等奖1项（第四完成人）和上海市科技进步奖一等奖2项（第四完成人），入选上海市领军人才、上海市优秀学术带头人、百千万人才工程国家人选等。
