激光與光譜技術的應用：復旦大學光學技術的一些歷史與進展

陳良堯 錢列加 徐 敏 趙海斌

（復旦大學光科學與工程系，上海 200433）

復旦大學光學學科的發展歷史悠久.早在1954年，復旦大學就建立了以周同慶教授（我國著名光物理學家，中科院學部委員）為主任的光學教研室.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，推動了復旦大學在各類激光器（如氮分子激光器、染料激光器）及相關元器件（如電光調制器等）、激光技術、激光應用及激光物理等領域的研究進展，取得了許多成果，研究隊伍迅速擴大，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.

復旦大學激光物理研究室從1978年開始招收碩士研究生，1981年被批準為光學學科碩士點.經過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展.在1983年廣州舉行的國際激光會議上，研究室有10篇論文全被錄用在會上作口頭報告，給到會的國內外專家留下很深的印象.1984年光學學科被批準為光學博士點，章志鳴教授同時被批準為博士生導師.2003年設立光學工程碩士點，2011年批準建立光學工程學科博士點.

復旦大學光學學科于1988年被批準為國家級重點學科.同年國家批準在激光物理實驗室基礎上，建立“三束材料改性國家重點實驗室”復旦分部.在1988年全國重點學科評估中，本學科排名全國第一；在1993年全國博士點評估中，本學科博士點排名為光學學科博士點全國第三名（高校第一名）.由于本學科點在科研上的突出成績，從1978年至1990年，曾有13個項目獲得省部級以上的獎勵.激光物理研究室于1990年獲得國家科委與國家教委共同頒發的《全國高等學校科學研究先進集體》的稱號.1994年，本學科被確定為“211工程”重點建設學科.目前光學與光學工程學科的研究基地還有“復旦大學上海超精密光學制造工程技術研究中心”以及“微納光子結構教育部重點實驗室”.

1953年3月底復旦大學成立了X光管研制實驗室，由周同慶任主任，方俊鑫任副主任，華中一為廠代表.經過一段時間的艱苦努力，解決了真空鑄靶、陰極設計、銅與玻璃的管狀封接等一系列關鍵技術，并制定了排氣和除氣規范等一系列工藝規程文件，于1953年秋試制成功我國第一個醫用封閉式X光管.X光管的研制成功，填補了我國在這一技術領域的空白，節省了大量外匯，并使我國電真空器件的設計和制造步入了新的階段，推動了我國高真空技術的發展，同時也充實了教學內容，提高了教學質量.1954年1月，在《科學通報》上發表了技術報告，5月2日在同一刊物上發表了《研制X光管工作的新結果》，正式宣布了研制成功.

1960年，國際科技界出現了20世紀最重要的科技發明之一——第一臺紅寶石激光器，第二年（1961）國際上又報道了第一臺氦-氖氣體激光器研制成功.在這樣的背景下，復旦大學光學教研組的章志鳴、李富銘、朱昂如等教師從1962年開始進行氣體激光器及多層介質高反射率膜的研制工作，于1964年年初研制成功我國高校第一臺氦-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年李郁芬教授領導的科研組研制成功中國第一臺染料激光器，只比國際上第一臺染料激光器晚了約兩年時間，這項成果于1977年獲得上海市重大科技成果獎.

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

上述這些激光器及光通信演示系統在當時國內處于領先的科研成果，于1965年10月送往北京在“高教部直屬高校科研成果展覽會”上展出.在這一展覽會上展出的復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等產品.在該展覽會上復旦的展品有聲（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，當時有人稱贊說“復旦大學是一所光的大學”.在各個高校中復旦的成果是名列前茅的.該展覽會至1966年4月結束，參觀者都是全國各部委的科技人員、各級領導及部分國家領導人（如朱德、鄧小平等），本來周恩來總理也計劃來參觀，后因“文革”爆發而未能實現.

1980年在李郁芬與葉衍銘教授領導下開展的染料激光對于眼科治療的研究形成了染料激光在眼科中的臨床應用，獲上海市重大科技進步三等獎.在葉衍銘與上海燈泡五廠共同奮斗下發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用新的一項專利后，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，成功實現了臨床應用.1990年Ⅳ型樣機出現后順利進行商品轉化，為國民經濟發展做出了貢獻.1985年染料激光眼科治療機獲國家教委科技優秀成果獎，1986年Ⅱ型染料激光眼科治療機獲上海市科技進步二等獎，1996年染料激光眼科治療機專利獲（國家級）技術發明三等獎.

20世紀80年代初復旦大學趙煥卿教授的課題組在國內首先研制出光學頻譜分析系統中的關鍵性元件64元楔環陣列探測器.該探測器性能與國外產品相當.利用64元楔環陣列探測器，復旦大學首次在國內研制出混合型光學頻譜分析系統（OPSA）.該探測器和系統研制成功后，曾提供給山東海洋學院（中國海洋大學前身）等多家單位，進行海洋遙感圖片中海浪波紋分析、衛星或者航空遙感圖片的地物分類、醫學中癌細胞和帶菌細胞篩選和識別、工業中產品質量的快速自動檢測和分類.“光學計算機混合功率譜特征采集系統及其應用”獲得了1988年國家教委科技進步二等獎.

近年來，復旦大學在先進光譜學分析測試技術、超短超強激光檢測技術、超精密光學制造與檢測等方面作了大量研究，并取得了良好的應用效果.其中陳良堯教授領導的課題組，先后研制成功“可見光區的全自動入射角和波長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”“二維克爾磁光效應分析儀”“高分辨二維折疊光譜分析儀”等一系列先進光譜學測試設備，在國內外產生了較大影響.錢列加教授領導的研究小組實現了特種設備“脈沖信噪比單次測量儀”在超短超強激光裝置中的良好應用.徐敏教授團隊負責的上海市超精密光學制造技術工程研究中心在國家02重大專項等項目支持下，在硬脆光學材料異形表面與結構的超精密制造技術中獲得突破和應用.

紅外和可見光區的全自動入射角和波長掃描的橢圓偏振光譜儀

在國際上首次采用空軸微分步進電機直接驅動技術、雙傅里葉變換光譜分析技術、單元／面陣CCD光電探測技術，以1∶2系數分別同步控制起偏器和檢偏器的方位角，無須分步驟測量直流信號和暗電流，經傅里葉光譜分析，高速自洽獲得兩組完整的橢偏參數，可靠解決了從光學、機械、電子、軟件、數據分析、整機到推廣應用等一系列關鍵問題，通過測量分析，能夠精確獲得光電子功能材料的光學常數和結構等參數，包括復介電函數、復折射率、吸收系數和反射率等的光譜值，性能指標達到了國際同類橢圓偏振光譜儀的先進水平.其中 （1）全自動入射角和波長掃描的橢圓偏振光譜儀（圖1）達到的主要指標為：波長250～850nm，分辨率0.5nm，入射角20～90°，分辨率0.01°，橢偏參數分辨率0.01°；（2）二維雙傅里葉變換的紅外橢圓偏振光譜儀（圖2）達到的主要指標為：波長1～5μm，分辨率1.0nm，入射角20～90°，分辨率0.01°，橢偏參數分辨率0.01°.

圖1 全自動入射角和波長掃描的橢圓偏振光譜儀

這些儀器成果實現了國產化，由上海雨克電子科技有限公司等企業生產.應用單位包括：德國愛來根-紐倫堡大學，香港中文大學，復旦大學，上海交大，同濟大學，安徽大學，黑龍江大學，華中師范大學，深圳大學，合肥工業大學，山東大學，成都電子科技大學，安慶師范學院，貴州大學，北京工業大學，云南大學，東華大學，南京航空航天大學，暨南大學，上海技物所，上海光機所，上海硅酸鹽所，福建物構所等高校研究所，為這些科研單位和企業完成如“863”“973”、科技攻關、自然科學基金等科技項目提供了高品質國產儀器和設備，取得了顯著的社會效果和應用價值，多次獲得國家科技獎勵.

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研究和工業等領域獲得廣泛應用，覆蓋了從紫外、可見到紅外的寬廣光譜區，是現代光譜分析儀器的核心和基礎.國際上已進行了艱苦努力來改進光譜分析技術，但受到光柵和棱鏡色散元件以及探測器物理限制，仍難以在一臺光譜儀中同時實現3項關鍵功能：（1）無縫波長連接的寬光譜工作區；（2）高分辨率；（3）快速測量時間.

復旦大學陳良堯教授領導的課題組采用時間并聯模式的快速光譜信息獲取的新原理和方法，在國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器的優點，在一臺光譜儀中，同時滿足寬光譜區、高分辨率和全譜快速測量的3項關鍵功能要求.研究中采用10塊子光柵構成一個光柵陣列，克服了面陣探測器信號張角限制，分別在200～1000nm通用光譜區和1450～1650nm通信光譜區，通過雙焦距光學系統，將一維268mm和96mm光譜探測長度進行二維10重折疊，快速成像在二維面陣探測器的焦平面上，無任何機械位移部件，實現了全光譜高精度快速測量和分析，分辨率優于0.1nm，全譜測量時間小于0.1s.研究中可靠解決了從二維光譜分析原理、光學設計、工藝到軟件分析的一系列問題.新型光譜儀具有全譜響應均勻和無縫波長連接、結構緊湊、穩簡定標、寬光譜區、高分辨率、全譜高速測量和高可靠性等顯著優點.二維10光柵折疊光譜儀達到的技術指標為：250nm焦距，200～1000nm光譜區，0.07nm分辨率，10ms全譜測量時間，16-Bits動態范圍，（295×215×130）mm3緊湊型體積，實現了對各種光譜信號的高精度和高可靠性快速測量分析.其原理和方法在亞波長微納薄膜結構的原位寬光譜動態特性調控分析中獲得應用，體現了我國在國際光譜學前沿研究領域的重要原創貢獻，分別獲得國際《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價.隨著高性能面陣光電探測器的普及，高精度二維折疊光譜將成為主流光譜分析技術在更多領域實現推廣應用.

圖3 二維10光柵折疊光譜儀

磁光克爾和法拉第光譜儀，二維磁光克爾效應分析儀

圖4 磁光克爾與法拉第光譜儀

在國際上首次采用旋轉檢偏器和無色1／4波長器結合的技術、傅里葉光譜分析技術，在200～850nm光譜區，實現磁光克爾和法拉第旋轉角和橢偏率光譜的完整測量分析（圖4），并在國際上首次采用由分區永磁鐵集成組成的均勻橫向磁場結構，磁場強度連續可調，結合面陣CCD磁光克爾成像分析方法，實現了磁性樣品的二維磁光克爾效應的高精度測量和分析（圖5）.應用于復旦大學、北京大學、中國科技大學、南京大學、同濟大學等單位的科研項目，促使優質完成國家項目.

特種設備“脈沖信噪比單次測量儀”在超短超強激光裝置中的應用

超短超強激光是當今時代最激動人心的世界性技術競賽之一，是支撐國家安全、聚變能源和重大科學前沿研究的核心裝備.脈沖信噪比（即主峰強度與噪聲的比值）是激光聚焦光強走向極端強場狀態的新挑戰，被形象地描述為“信噪比不高、強場不強”.如何實現超高信噪比（＞109）是超短超強激光的核心科學技術問題，而單次測量是解決信噪比問題的先決條件.之前在世界范圍內，信噪比單次測量只是處于摸索階段，最關鍵的技術指標“測量動態范圍”僅限于106～107，遠沒達到工程應用的要求（＞109）.

圖5 二維磁光克爾效應分析儀

作為臨時性的技術措施，國際上開發了時間延時掃描型的脈沖信噪比測量儀，動態范圍指標可以達到或超過1010，其典型代表是法國Amplitude Tech公司的脈沖互相關儀（Sequoia），它適用于重頻工作的低功率飛秒激光或超短超強激光裝置的前端級.然而，實際的超短超強激光裝置往往只能工作在單次狀態，因此可單次測量信噪比的脈沖互相關儀是必不可少的研究手段.雖然百太瓦峰功率的鈦寶石強激光系統可以工作在較低的重復頻率（0.1～10Hz），但這樣的掃描型測量過程非常耗時（以小時為計算單位），僅能檢驗最終的脈沖信噪比指標，不足以達到優化調試系統和提升信噪比的更高目標.

脈沖信噪比測量實際上就是要高動態范圍地測量很大時間窗口內的脈沖強度分布，從而準確地衡量時間窗口中央的脈沖主峰高度和兩側邊緣的脈沖次峰及噪聲的谷底.由于二階相關函數的天然對稱性，用于測量飛秒脈沖寬度的非線性自相關方法不能表征信噪比，必須采用三階互相關方法.測量信噪比的互相關技術難度高，其原理則非常簡單（圖6（a））：它由取樣脈沖、相關過程和多點平行探測等3個主要單元組成.待測脈沖作為互相關器的一束光，另一束光則是更為干凈的取樣脈沖，它可以是待測脈沖的二倍頻（SHG）光，最后通過兩者的非線性和頻（SFG）或差頻（DFG）過程實現互相關并獲取待測脈沖的結構分布信息.由于涉及兩個級聯的二階非線性過程，這樣的測量方法被稱為三階互相關.延時掃描型的互相關儀Sequoia就是采用了以上這種方式.不同于掃描測量，單次互相關測量的核心是構建時間窗口以及后續的列陣式光電探測器.通常采用寬光束的非共線來產生單次測量的時間窗口（圖6（a）），這是一種從時間到空間的編碼.

圖6 （a）基于倍頻／和頻過程的三階互相關單次測量.待測光（深色）與取樣光（淺色）在非線性晶體中發生非共線和頻作用，產生的和頻光（藍線）沿x維的空間強度分布反映了待測光的時間強度分布；（b）基于長波長（OPA）取樣的單次互相關器裝置圖

針對信噪比單次測量這一世界性強激光技術難題，錢列加教授團隊研發了特種設備“脈沖信噪比單次測量儀”，已經成功應用于國家多個重大項目的建設任務.以下簡單綜述自2008年以來團隊在信噪比單次測量方面的新構思、技術發明和工程應用等創新成效.

提出了互相關器的新構思[1].時間窗口是信噪比單次測量的一個重要指標，在給定光束口徑的情況下，它由待測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的倍頻光作為互相關的取樣脈沖，由于受和頻過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.基于飛秒光參量放大器（OPA）的“長波長取樣脈沖”的新構思（圖6（b）），可有效破解位相匹配對非共線夾角的限制.如采用周期性極化調制的鈮酸鋰晶體（PPLN）和中紅外取樣脈沖，則可實現非共線夾角達90°的側向互相關.據此，可將時間窗口增大到80ps／cm，比以往方式提高了約一個量級.長波長取樣脈沖的方式還有另外一個優點，它使得互相關和頻信號的波長處于可見光波段，更好地對準了探測器的波長響應靈敏區，從而大幅提升信噪比單次測量的整體性能。

高動態范圍的光電探測器是信噪比單次測量的一個關鍵。單點式的光電倍增管（PMT）是最靈敏的高動態范圍探測器，但它不能直接用于需要多點平行探測的單次測量。為此，團隊發明了光纖列陣／光電倍增管探測系統（美國專利）[2]。如圖6（b）所示，通過128根不同長度的光纖，將一系列空間平行數據轉換成一列時間串行數據，使得PMT能夠兼容單次測量[3].結合每根光纖的可變衰減器，光纖列陣／光電倍增管探測系統原理上可以提供超過1012的測量動態范圍，成為脈沖信噪比單次測量的核心技術.

在實際應用中，具備高的測量動態范圍并不代表就能將脈沖信噪比“測得準”.測量過程必須是高保真度的，不能有測量過程中引入的假背景噪聲和假尖峰結構的“污染”.由于單次測量中必要的時空編碼，互相關信號的任何空間畸變都有可能被轉換為對脈沖測量有害的時間域污染.團隊探明了兩類污染源，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構污染.在此基礎上，發明了脈沖信噪比的高保真度測量技術（美國專利）[4]，通過點狀衰減器將脈沖主峰的空氣散射降低到脈沖的真實本底水平以下，并基于PPLN晶體的可設計性，消除了表面菲涅耳反射引入的假尖峰.通過集成以上各項單元技術，以高重頻的飛秒激光為測量對象，開展了與商品化掃描測量的比對實驗.驗證了信噪比單次測量的保真度[5]，實現了＞1010的高動態范圍單次測量能力（圖7（a）），與商品化掃描式互相關儀的動態范圍指標相仿.

團隊研發了兩個不同激光波長版本的信噪比單次測量儀，分別適用于當前主要的釹玻璃（1054nm）和鈦寶石（800nm）兩類超短超強激光.1054nm波長版本的信噪比單次測量儀，自2011年起在線應用于中科院／中物院上海聯合實驗室的高能釹玻璃拍瓦激光系統，驗證了其當前的皮秒脈沖信噪比在106水平（圖7（b）），高于國際同類激光系統的預期指標.作為特種設備，該信噪比單次測量儀與拍瓦激光系統一起組成完備的實驗運行裝備，及時解決了重大專項工程建設的迫切需求，這也是世界范圍內首次成功的信噪比測量工程應用.800nm波長版本的信噪比單次測量儀，2014年分別應用于中科院上海光機所強場物理國家重點實驗室、中科院物理所光物理重點實驗室和上海交通大學激光等離子體教育部重點實驗室的3套鈦寶石超短超強激光系統，并將于近期開展在中國工程物理研究院的工程應用.該特種設備“信噪比單次測量儀”的應用幾乎覆蓋了我國所有具備超短超強激光裝置的單位和部門，除此以外，美國等發達國家的相關研究機構也表達了購置或合作的意愿.

圖7 （a）單次互相關器（800nm版本）與Sequoia掃描測量鈦寶石激光系統的脈沖信噪比（比對驗證）；（b）單次互相關器（1054nm版本）測量釹玻璃拍瓦激光系統的脈沖信噪比（測量數據由中科院／中物院上海聯合實驗室提供）

根據研究團隊對信噪比單次測量技術進一步創新發展的分析與展望，現有技術包括以上的單次測量設備以及國際掃描測量產品在內，均無法提供額外的空間分辨能力，只能局限于對傳統的純時間型脈沖噪聲的測量與診斷.然而基于團隊開發的單次測量技術，對互相關過程引入空間分辨的另一個維度，再結合二維（2D）光纖陣列技術，就能將傳統的互相關拓展至2D時空測量.這樣全新的時空互相關測量技術，可被應用于光學領域的若干前沿研究，包括加深理解超快激光的時空噪聲本質以及控制超快激光在生物組織中的時空畸變.

現代超精密光學制造與檢測應用

復旦大學超精密光學制造技術工程研究中心定位在先進光學設計與先進制造學科領域，主要面向光電材料與超精密加工與檢測技術，目前該方向主要承擔任務是國家點火重大專項基于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，國家02重大專項硬脆光學材料功能結構的超精密制造研究等項目.5年來通過團隊的努力和學校的大力支持下，中心在硬脆光學材料異形表面與結構等的超精密制造與檢測技術上獲得突破和應用.主要技術能力包括：（1）單點金剛鉆切削技術；（2）數控超聲波銑磨技術；（3）大口徑數控拋光；（4）現代光學零件和系統質量檢測技術；（5）復雜熱成像光學系統設計與集成；（6）光學自由面、非球面的加工和檢測；（7）微結構陣列的加工與檢測；（8）先進光學系統設計.目前已經實現的應用有：用于點火工程的各類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，紅外二元鏡片的加工，各類照明用微結構陣列的加工，晶元光學器件制造，離軸光學非球面的精密加工，硬質鋼光學模具的加工，用于相位調制的光學自由面的加工與檢測等，部分加工后的元器件如圖8所示.

圖8 精密光學微結構陣列、光學晶體及高陡度非球面

[1]Ma J G，Yuan P，Wang Y Z，et al.Single-shot cross-correlator using a long-wavelength sampling pulse [J]，Opt.Lett，2011，36：978-980.

[2]Qian L J，Zhang D F，Yuan P，et al.Method and system for detecting single-shot pulse contrast based on fiber array：US，8071934[P]2011.

[3]Zhang D F，Qian L J，Yuan P，et al.Fiber-array-based detection scheme for single-shot pulse contrast characterization[J]，Opt Lett，2008，33：1969-1971.

[4]Qian L J，Wang Y Z，Ma J G，et al.High-fidelity device for single-shot pulse contrast measurement based on quasiphase-matching（QPM）：US，8698082[P]2014.

[5]Wang Y Z，Ma J G，Wang J，et al.Single-shot measurement of＞1010pulse contrast for ultra-high peak-powerlasers[J]，Sci Rep，2014，4：3818.