激光与光谱技术的应用：复旦大学光学技术的一些历史与进展

陈良尧 钱列加 徐 敏 赵海斌

（复旦大学光科学与工程系，上海 200433）

复旦大学光学学科的发展历史悠久.早在1954年，复旦大学就建立了以周同庆教授（我国著名光物理学家，中科院学部委员）为主任的光学教研室.教研室的中青年教师于1964年研制出氦-氖等多种气体激光器后，推动了复旦大学在各类激光器（如氮分子激光器、染料激光器）及相关元器件（如电光调制器等）、激光技术、激光应用及激光物理等领域的研究进展，取得了许多成果，研究队伍迅速扩大，于1978年1月成立了以章志鸣教授为主任的激光物理研究室.

复旦大学激光物理研究室从1978年开始招收硕士研究生，1981年被批准为光学学科硕士点.经过教师与研究生的共同努力，从1978年至1983年间，研究室在激光物理研究上取得了很大的进展.在1983年广州举行的国际激光会议上，研究室有10篇论文全被录用在会上作口头报告，给到会的国内外专家留下很深的印象.1984年光学学科被批准为光学博士点，章志鸣教授同时被批准为博士生导师.2003年设立光学工程硕士点，2011年批准建立光学工程学科博士点.

复旦大学光学学科于1988年被批准为国家级重点学科.同年国家批准在激光物理实验室基础上，建立“三束材料改性国家重点实验室”复旦分部.在1988年全国重点学科评估中，本学科排名全国第一；在1993年全国博士点评估中，本学科博士点排名为光学学科博士点全国第三名（高校第一名）.由于本学科点在科研上的突出成绩，从1978年至1990年，曾有13个项目获得省部级以上的奖励.激光物理研究室于1990年获得国家科委与国家教委共同颁发的《全国高等学校科学研究先进集体》的称号.1994年，本学科被确定为“211工程”重点建设学科.目前光学与光学工程学科的研究基地还有“复旦大学上海超精密光学制造工程技术研究中心”以及“微纳光子结构教育部重点实验室”.

1953年3月底复旦大学成立了X光管研制实验室，由周同庆任主任，方俊鑫任副主任，华中一为厂代表.经过一段时间的艰苦努力，解决了真空铸靶、阴极设计、铜与玻璃的管状封接等一系列关键技术，并制定了排气和除气规范等一系列工艺规程文件，于1953年秋试制成功我国第一个医用封闭式X光管.X光管的研制成功，填补了我国在这一技术领域的空白，节省了大量外汇，并使我国电真空器件的设计和制造步入了新的阶段，推动了我国高真空技术的发展，同时也充实了教学内容，提高了教学质量.1954年1月，在《科学通报》上发表了技术报告，5月2日在同一刊物上发表了《研制X光管工作的新结果》，正式宣布了研制成功.

1960年，国际科技界出现了20世纪最重要的科技发明之一——第一台红宝石激光器，第二年（1961）国际上又报道了第一台氦-氖气体激光器研制成功.在这样的背景下，复旦大学光学教研组的章志鸣、李富铭、朱昂如等教师从1962年开始进行气体激光器及多层介质高反射率膜的研制工作，于1964年年初研制成功我国高校第一台氦-氖气体激光器；其后相继研制成功了氦-氙气体激光器、氦-汞气体激光器及氩弧气体激光器等.1974年李郁芬教授领导的科研组研制成功中国第一台染料激光器，只比国际上第一台染料激光器晚了约两年时间，这项成果于1977年获得上海市重大科技成果奖.

20世纪60年代初，电介质晶体物理教研组的教师在方俊鑫带领下积极进行KDP电光调制器及氯化亚铜晶体红外光调制器的研制工作，并于1965年研制成功两套光通信演示系统：（1）氦-氖激光KDP调制两路信号光通信演示系统；（2）氦-氙激光氯化亚铜晶体红外光通信演示系统.

上述这些激光器及光通信演示系统在当时国内处于领先的科研成果，于1965年10月送往北京在“高教部直属高校科研成果展览会”上展出.在这一展览会上展出的复旦展品还有以蔡祖泉为首研制成功的各种新型电光源（如大功率高压汞灯、钠灯等）及以华中一为首研制成功的高灵敏度电离真空规等产品.在该展览会上复旦的展品有声（光通信演示）有色（各种激光不同颜色），给参观者留下非常深刻的印象，当时有人称赞说“复旦大学是一所光的大学”.在各个高校中复旦的成果是名列前茅的.该展览会至1966年4月结束，参观者都是全国各部委的科技人员、各级领导及部分国家领导人（如朱德、邓小平等），本来周恩来总理也计划来参观，后因“文革”爆发而未能实现.

1980年在李郁芬与叶衍铭教授领导下开展的染料激光对于眼科治疗的研究形成了染料激光在眼科中的临床应用，获上海市重大科技进步三等奖.在叶衍铭与上海灯泡五厂共同奋斗下发明了体积紧凑的高效染料激光同轴氙灯，形成染料激光在眼科应用新的一项专利后，突破了笨重的液体染料激光难于加载在精巧的眼科治疗仪器裂隙灯的瓶颈，成功实现了临床应用.1990年Ⅳ型样机出现后顺利进行商品转化，为国民经济发展做出了贡献.1985年染料激光眼科治疗机获国家教委科技优秀成果奖，1986年Ⅱ型染料激光眼科治疗机获上海市科技进步二等奖，1996年染料激光眼科治疗机专利获（国家级）技术发明三等奖.

20世纪80年代初复旦大学赵焕卿教授的课题组在国内首先研制出光学频谱分析系统中的关键性元件64元楔环阵列探测器.该探测器性能与国外产品相当.利用64元楔环阵列探测器，复旦大学首次在国内研制出混合型光学频谱分析系统（OPSA）.该探测器和系统研制成功后，曾提供给山东海洋学院（中国海洋大学前身）等多家单位，进行海洋遥感图片中海浪波纹分析、卫星或者航空遥感图片的地物分类、医学中癌细胞和带菌细胞筛选和识别、工业中产品质量的快速自动检测和分类.“光学计算机混合功率谱特征采集系统及其应用”获得了1988年国家教委科技进步二等奖.

近年来，复旦大学在先进光谱学分析测试技术、超短超强激光检测技术、超精密光学制造与检测等方面作了大量研究，并取得了良好的应用效果.其中陈良尧教授领导的课题组，先后研制成功“可见光区的全自动入射角和波长扫描的椭圆偏振光谱仪”“二维双傅里叶变换的红外椭圆偏振光谱仪”“磁光克尔和法拉第光谱仪”“二维克尔磁光效应分析仪”“高分辨二维折叠光谱分析仪”等一系列先进光谱学测试设备，在国内外产生了较大影响.钱列加教授领导的研究小组实现了特种设备“脉冲信噪比单次测量仪”在超短超强激光装置中的良好应用.徐敏教授团队负责的上海市超精密光学制造技术工程研究中心在国家02重大专项等项目支持下，在硬脆光学材料异形表面与结构的超精密制造技术中获得突破和应用.

红外和可见光区的全自动入射角和波长扫描的椭圆偏振光谱仪

在国际上首次采用空轴微分步进电机直接驱动技术、双傅里叶变换光谱分析技术、单元／面阵CCD光电探测技术，以1∶2系数分别同步控制起偏器和检偏器的方位角，无须分步骤测量直流信号和暗电流，经傅里叶光谱分析，高速自洽获得两组完整的椭偏参数，可靠解决了从光学、机械、电子、软件、数据分析、整机到推广应用等一系列关键问题，通过测量分析，能够精确获得光电子功能材料的光学常数和结构等参数，包括复介电函数、复折射率、吸收系数和反射率等的光谱值，性能指标达到了国际同类椭圆偏振光谱仪的先进水平.其中 （1）全自动入射角和波长扫描的椭圆偏振光谱仪（图1）达到的主要指标为：波长250～850nm，分辨率0.5nm，入射角20～90°，分辨率0.01°，椭偏参数分辨率0.01°；（2）二维双傅里叶变换的红外椭圆偏振光谱仪（图2）达到的主要指标为：波长1～5μm，分辨率1.0nm，入射角20～90°，分辨率0.01°，椭偏参数分辨率0.01°.

图1 全自动入射角和波长扫描的椭圆偏振光谱仪

这些仪器成果实现了国产化，由上海雨克电子科技有限公司等企业生产.应用单位包括：德国爱来根-纽伦堡大学，香港中文大学，复旦大学，上海交大，同济大学，安徽大学，黑龙江大学，华中师范大学，深圳大学，合肥工业大学，山东大学，成都电子科技大学，安庆师范学院，贵州大学，北京工业大学，云南大学，东华大学，南京航空航天大学，暨南大学，上海技物所，上海光机所，上海硅酸盐所，福建物构所等高校研究所，为这些科研单位和企业完成如“863”“973”、科技攻关、自然科学基金等科技项目提供了高品质国产仪器和设备，取得了显著的社会效果和应用价值，多次获得国家科技奖励.

图2 二维双傅里叶变换的红外椭圆偏振光谱仪

高分辨二维折叠光谱分析仪

高精度光谱成像分析在科学研究和工业等领域获得广泛应用，覆盖了从紫外、可见到红外的宽广光谱区，是现代光谱分析仪器的核心和基础.国际上已进行了艰苦努力来改进光谱分析技术，但受到光栅和棱镜色散元件以及探测器物理限制，仍难以在一台光谱仪中同时实现3项关键功能：（1）无缝波长连接的宽光谱工作区；（2）高分辨率；（3）快速测量时间.

复旦大学陈良尧教授领导的课题组采用时间并联模式的快速光谱信息获取的新原理和方法，在国际上首次研制完成了高分辨多光栅二维折叠光谱分析仪（图3），充分利用二维阵列探测器的优点，在一台光谱仪中，同时满足宽光谱区、高分辨率和全谱快速测量的3项关键功能要求.研究中采用10块子光栅构成一个光栅阵列，克服了面阵探测器信号张角限制，分别在200～1000nm通用光谱区和1450～1650nm通信光谱区，通过双焦距光学系统，将一维268mm和96mm光谱探测长度进行二维10重折叠，快速成像在二维面阵探测器的焦平面上，无任何机械位移部件，实现了全光谱高精度快速测量和分析，分辨率优于0.1nm，全谱测量时间小于0.1s.研究中可靠解决了从二维光谱分析原理、光学设计、工艺到软件分析的一系列问题.新型光谱仪具有全谱响应均匀和无缝波长连接、结构紧凑、稳简定标、宽光谱区、高分辨率、全谱高速测量和高可靠性等显著优点.二维10光栅折叠光谱仪达到的技术指标为：250nm焦距，200～1000nm光谱区，0.07nm分辨率，10ms全谱测量时间，16-Bits动态范围，（295×215×130）mm3紧凑型体积，实现了对各种光谱信号的高精度和高可靠性快速测量分析.其原理和方法在亚波长微纳薄膜结构的原位宽光谱动态特性调控分析中获得应用，体现了我国在国际光谱学前沿研究领域的重要原创贡献，分别获得国际《激光聚焦世界》和《光电子光谱》期刊的全文专题介绍和积极评价.随着高性能面阵光电探测器的普及，高精度二维折叠光谱将成为主流光谱分析技术在更多领域实现推广应用.

图3 二维10光栅折叠光谱仪

磁光克尔和法拉第光谱仪，二维磁光克尔效应分析仪

图4 磁光克尔与法拉第光谱仪

在国际上首次采用旋转检偏器和无色1／4波长器结合的技术、傅里叶光谱分析技术，在200～850nm光谱区，实现磁光克尔和法拉第旋转角和椭偏率光谱的完整测量分析（图4），并在国际上首次采用由分区永磁铁集成组成的均匀横向磁场结构，磁场强度连续可调，结合面阵CCD磁光克尔成像分析方法，实现了磁性样品的二维磁光克尔效应的高精度测量和分析（图5）.应用于复旦大学、北京大学、中国科技大学、南京大学、同济大学等单位的科研项目，促使优质完成国家项目.

特种设备“脉冲信噪比单次测量仪”在超短超强激光装置中的应用

超短超强激光是当今时代最激动人心的世界性技术竞赛之一，是支撑国家安全、聚变能源和重大科学前沿研究的核心装备.脉冲信噪比（即主峰强度与噪声的比值）是激光聚焦光强走向极端强场状态的新挑战，被形象地描述为“信噪比不高、强场不强”.如何实现超高信噪比（＞109）是超短超强激光的核心科学技术问题，而单次测量是解决信噪比问题的先决条件.之前在世界范围内，信噪比单次测量只是处于摸索阶段，最关键的技术指标“测量动态范围”仅限于106～107，远没达到工程应用的要求（＞109）.

图5 二维磁光克尔效应分析仪

作为临时性的技术措施，国际上开发了时间延时扫描型的脉冲信噪比测量仪，动态范围指标可以达到或超过1010，其典型代表是法国Amplitude Tech公司的脉冲互相关仪（Sequoia），它适用于重频工作的低功率飞秒激光或超短超强激光装置的前端级.然而，实际的超短超强激光装置往往只能工作在单次状态，因此可单次测量信噪比的脉冲互相关仪是必不可少的研究手段.虽然百太瓦峰功率的钛宝石强激光系统可以工作在较低的重复频率（0.1～10Hz），但这样的扫描型测量过程非常耗时（以小时为计算单位），仅能检验最终的脉冲信噪比指标，不足以达到优化调试系统和提升信噪比的更高目标.

脉冲信噪比测量实际上就是要高动态范围地测量很大时间窗口内的脉冲强度分布，从而准确地衡量时间窗口中央的脉冲主峰高度和两侧边缘的脉冲次峰及噪声的谷底.由于二阶相关函数的天然对称性，用于测量飞秒脉冲宽度的非线性自相关方法不能表征信噪比，必须采用三阶互相关方法.测量信噪比的互相关技术难度高，其原理则非常简单（图6（a））：它由取样脉冲、相关过程和多点平行探测等3个主要单元组成.待测脉冲作为互相关器的一束光，另一束光则是更为干净的取样脉冲，它可以是待测脉冲的二倍频（SHG）光，最后通过两者的非线性和频（SFG）或差频（DFG）过程实现互相关并获取待测脉冲的结构分布信息.由于涉及两个级联的二阶非线性过程，这样的测量方法被称为三阶互相关.延时扫描型的互相关仪Sequoia就是采用了以上这种方式.不同于扫描测量，单次互相关测量的核心是构建时间窗口以及后续的列阵式光电探测器.通常采用宽光束的非共线来产生单次测量的时间窗口（图6（a）），这是一种从时间到空间的编码.

图6 （a）基于倍频／和频过程的三阶互相关单次测量.待测光（深色）与取样光（浅色）在非线性晶体中发生非共线和频作用，产生的和频光（蓝线）沿x维的空间强度分布反映了待测光的时间强度分布；（b）基于长波长（OPA）取样的单次互相关器装置图

针对信噪比单次测量这一世界性强激光技术难题，钱列加教授团队研发了特种设备“脉冲信噪比单次测量仪”，已经成功应用于国家多个重大项目的建设任务.以下简单综述自2008年以来团队在信噪比单次测量方面的新构思、技术发明和工程应用等创新成效.

提出了互相关器的新构思[1].时间窗口是信噪比单次测量的一个重要指标，在给定光束口径的情况下，它由待测和取样脉冲激光的非共线夹角决定.以往研究中采用短波长的倍频光作为互相关的取样脉冲，由于受和频过程位相匹配条件的限制，所允许的最大非共线夹角仅在度的量级.基于飞秒光参量放大器（OPA）的“长波长取样脉冲”的新构思（图6（b）），可有效破解位相匹配对非共线夹角的限制.如采用周期性极化调制的铌酸锂晶体（PPLN）和中红外取样脉冲，则可实现非共线夹角达90°的侧向互相关.据此，可将时间窗口增大到80ps／cm，比以往方式提高了约一个量级.长波长取样脉冲的方式还有另外一个优点，它使得互相关和频信号的波长处于可见光波段，更好地对准了探测器的波长响应灵敏区，从而大幅提升信噪比单次测量的整体性能。

高动态范围的光电探测器是信噪比单次测量的一个关键。单点式的光电倍增管（PMT）是最灵敏的高动态范围探测器，但它不能直接用于需要多点平行探测的单次测量。为此，团队发明了光纤列阵／光电倍增管探测系统（美国专利）[2]。如图6（b）所示，通过128根不同长度的光纤，将一系列空间平行数据转换成一列时间串行数据，使得PMT能够兼容单次测量[3].结合每根光纤的可变衰减器，光纤列阵／光电倍增管探测系统原理上可以提供超过1012的测量动态范围，成为脉冲信噪比单次测量的核心技术.

在实际应用中，具备高的测量动态范围并不代表就能将脉冲信噪比“测得准”.测量过程必须是高保真度的，不能有测量过程中引入的假背景噪声和假尖峰结构的“污染”.由于单次测量中必要的时空编码，互相关信号的任何空间畸变都有可能被转换为对脉冲测量有害的时间域污染.团队探明了两类污染源，即由空气散射引入的背景噪声污染以及由晶体前后表面菲涅耳反射引入的尖峰结构污染.在此基础上，发明了脉冲信噪比的高保真度测量技术（美国专利）[4]，通过点状衰减器将脉冲主峰的空气散射降低到脉冲的真实本底水平以下，并基于PPLN晶体的可设计性，消除了表面菲涅耳反射引入的假尖峰.通过集成以上各项单元技术，以高重频的飞秒激光为测量对象，开展了与商品化扫描测量的比对实验.验证了信噪比单次测量的保真度[5]，实现了＞1010的高动态范围单次测量能力（图7（a）），与商品化扫描式互相关仪的动态范围指标相仿.

团队研发了两个不同激光波长版本的信噪比单次测量仪，分别适用于当前主要的钕玻璃（1054nm）和钛宝石（800nm）两类超短超强激光.1054nm波长版本的信噪比单次测量仪，自2011年起在线应用于中科院／中物院上海联合实验室的高能钕玻璃拍瓦激光系统，验证了其当前的皮秒脉冲信噪比在106水平（图7（b）），高于国际同类激光系统的预期指标.作为特种设备，该信噪比单次测量仪与拍瓦激光系统一起组成完备的实验运行装备，及时解决了重大专项工程建设的迫切需求，这也是世界范围内首次成功的信噪比测量工程应用.800nm波长版本的信噪比单次测量仪，2014年分别应用于中科院上海光机所强场物理国家重点实验室、中科院物理所光物理重点实验室和上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室的3套钛宝石超短超强激光系统，并将于近期开展在中国工程物理研究院的工程应用.该特种设备“信噪比单次测量仪”的应用几乎覆盖了我国所有具备超短超强激光装置的单位和部门，除此以外，美国等发达国家的相关研究机构也表达了购置或合作的意愿.

图7 （a）单次互相关器（800nm版本）与Sequoia扫描测量钛宝石激光系统的脉冲信噪比（比对验证）；（b）单次互相关器（1054nm版本）测量钕玻璃拍瓦激光系统的脉冲信噪比（测量数据由中科院／中物院上海联合实验室提供）

根据研究团队对信噪比单次测量技术进一步创新发展的分析与展望，现有技术包括以上的单次测量设备以及国际扫描测量产品在内，均无法提供额外的空间分辨能力，只能局限于对传统的纯时间型脉冲噪声的测量与诊断.然而基于团队开发的单次测量技术，对互相关过程引入空间分辨的另一个维度，再结合二维（2D）光纤阵列技术，就能将传统的互相关拓展至2D时空测量.这样全新的时空互相关测量技术，可被应用于光学领域的若干前沿研究，包括加深理解超快激光的时空噪声本质以及控制超快激光在生物组织中的时空畸变.

现代超精密光学制造与检测应用

复旦大学超精密光学制造技术工程研究中心定位在先进光学设计与先进制造学科领域，主要面向光电材料与超精密加工与检测技术，目前该方向主要承担任务是国家点火重大专项基于KDP和DKDP晶体的超精密加工及表面损伤阈值控制的工艺研究，国家02重大专项硬脆光学材料功能结构的超精密制造研究等项目.5年来通过团队的努力和学校的大力支持下，中心在硬脆光学材料异形表面与结构等的超精密制造与检测技术上获得突破和应用.主要技术能力包括：（1）单点金刚钻切削技术；（2）数控超声波铣磨技术；（3）大口径数控抛光；（4）现代光学零件和系统质量检测技术；（5）复杂热成像光学系统设计与集成；（6）光学自由面、非球面的加工和检测；（7）微结构阵列的加工与检测；（8）先进光学系统设计.目前已经实现的应用有：用于点火工程的各类KDP、DKDP超精密加工与工艺，各种材料红外整流罩的精密加工与检测，红外二元镜片的加工，各类照明用微结构阵列的加工，晶元光学器件制造，离轴光学非球面的精密加工，硬质钢光学模具的加工，用于相位调制的光学自由面的加工与检测等，部分加工后的元器件如图8所示.

图8 精密光学微结构阵列、光学晶体及高陡度非球面

[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.