第六届 红光奖"黑科技"技术创新奖
获奖企业：同济大学
同济大学研制的基于超陡度合束器件的10kW合束光源，已安装于外场车载中，兼顾高光束质量、高激光亮度和实用性，在静态与动态实验中取得了良好的成绩，实现和多家科研院所深度合作和应用。核心元件-合束器件作为强激光光源或大型激光装置的关键部件,在没有污染吸附等情况下，能够承受长时间辐照，稳定工作，为激光系统性能提升及长期稳定运行提供了薄膜器件保障。
获奖产品
项目名称
基于超陡度合束器件的10kW合束光源
主要用途及该产品及服务的时长
同济大学积极面向国际科学前沿和国民工业生产需求，研制了基于超陡度合束器件的10kW合束光源，兼顾高光束质量、高激光亮度和实用性，在静态与动态实验中取得了良好的成绩，和多家科研院所进行了深度合作和应用。本项目自2017年开始研发筹备，2022年完成样机的研制，并与国内多家科研院所进行了深度合作和应用。核心元件-合束器件作为强激光光源或大型激光装置的关键部件,在没有污染吸附等情况下，能够承受长时间辐照，稳定工作，已广泛应用于国内科研院所的高功率装置、设备或仪器上，为激光系统性能提升及长期稳定运行提供了薄膜器件保障。
企业实力
"专"：
同济大学精密光学工程技术研究所专门从事精密光学工程领域内的教育教学、基础科学、关键技术和工程应用研究。依托教育部先进微结构材料重点实验室、上海市数字光学前沿科学研究基地在光学薄膜领域、光学系统领域开展了大量研究工作，特别是激光薄膜、超陡度及低损耗薄膜研究领域，以及激光合束技术领域具备优异研究基础与实验条件。
近年来，研究所开展了多功能强激光薄膜及人工微结构器件的长期研究工作，研制出一系列高功率激光装置用高损伤阈值薄膜及微结构器件，达到了国际先进水平，获得了国家科技进步一等奖1项、国家技术发明奖2项、教育部技术发明奖一等奖1项等，并以高损伤阈值薄膜及微结构器件为基础，进一步探索，于2022年研制了基于超陡度合束器件的10kW合束光源样机。该样机输出功率~10kW，光束质量M2~2.2，安装于外场车载中，兼顾高光束质量、高激光亮度和实用性，在静态与动态实验中并取得了良好的成绩，实现和国内多家科研院所的深度合作与应用。其核心元件—超陡度合束器件也已广泛应用于与国内科研院所的高功率装置、设备或仪器上，为激光系统性能提升及长期稳定运行提供了薄膜器件保障。
"精"：
本项目开展了强激光光源的样机研制。强激光光源是激光系统的核心，当前主流强激光光源都采用空间合束、相干合束、光栅合束和薄膜合束等激光合束技术，前三种无法兼顾高激光亮度和实用性，尚未得到广泛应用。基于对薄膜合束技术研究，有望实现高激光亮度、实用性及低成本数万瓦强激光光源。
薄膜合束技术难点在于提升合束器件激光负载能力。通过对合束膜系材料和制备工艺探究，实现4nm高陡度，20kW/cm2高损伤阈值的高激光负载合束器件，并成功研制4路11.4kW输出合束系统，光束质量优于2.2。
本项目基于超陡度合束器件的10kW合束光源目前已经完成样机研制，并且已经与国内外多家科研院所进行了深入合作与应用，初步搭载在车载激光系统内，完成了外场的静态与动态实验，效果较好，得到业内人士广泛好评。其核心元件-超陡度合束器件已经实现产品化，并广泛应用于国内科研院所的大型激光装置或设备中，为激光系统性能的提升于可靠长期运行提供了保障，在国内处于领先水平。
本项目自2017年开始研制以来，获得了多个课题支撑，目前也已通过了多项专利申请/授权：
1. 光谱合束镜研制，JKW火花课题，2020-2021年；
2. 连续工作体制高抗损伤超窄带截止薄膜技术研究，国家自然科学基金，2017-2019年；
3. 超低吸收强光膜设计与制备技术研究，JKW课题，2017-2018年；
本项目研制过程中，：
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序号 |
知识产权名称 |
知识产权编号 |
知识产权类型 |
授权时间 |
自主研发/受让 |
备注 |
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1 |
基于原位探测的纳米尺度初始激光损伤检测方法及系统 |
2017101071135 |
发明专利 |
2020 |
自主研发 |
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2 |
一种用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构 |
201710855096.3 |
发明专利 |
2020 |
自主研发 |
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3 |
一种钕玻璃激光器用背入射式高反薄膜系统的制备方法 |
201610940925.3 |
发明专利 |
2018 |
自主研发 |
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4 |
面向透射型光学基板中吸收性缺陷深度位置的检测方法 |
201510344616.5 |
发明专利 |
2017 |
自主研发 |
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5 |
一种提高近红外高反膜激光损伤阈值的方法 |
201410050291.5 |
发明专利 |
2017 |
自主研发 |
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6 |
一种便携式激光光束质量β因子测试装置 |
20211158285.2 |
发明专利 |
2021 |
自主研发 |
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7 |
一种用子光束位置监测激光合束系统光束的装置与方法 |
202210010441.4 |
发明专利 |
2022 |
自主研发 |
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8 |
一种用于激光系统的镜片散热装置 |
202210388293.X |
发明专利 |
2022 |
自主研发 |
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9 |
一种基于光学薄膜性能的激光连续可调衰减方法及装置 |
202210388294.4 |
发明专利 |
2022 |
自主研发 |
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"特"：
1. 高可靠性10kW合束光源样机：输出功率~10kW，光束质量M2~2.2，合束模块体积小，重量轻，满足实际环境要求。
2. 超陡度合束镜：在保证光束质量的情况下，热负载能力>1kW/cm2，光谱陡度<5nm，近零面形。
"新"：
基于超陡度合束器件的10kW合束光源创新点及难点在于突破强激光作用下关键器件热负载能力以及研制出高光束质量、高可靠稳定的激光光源。
1. 提升合束镜激光负载能力。通过对合束膜系材料和制备工艺探究，合束薄膜热效应机理探索与实验，成功研制4nm高陡度，20kW/cm2高损伤阈值的高激光负载合束镜。
2. 高可靠性强激光光源样机。研制出4路薄膜合束10kW激光光源，光束质量M2优于2.2，能够适应复杂多变的环境，能够在振动、温度变化较大的情况下，依然能够稳定输出。
3. 合成光束精度的控制，保证合成光斑在复杂多变的环境下依然完全重合。设计和构建了全新的控制光路系统，配合区别与传统算法，不需要迭代，可快速响应，实现多束光斑实时精确检测与控制。整体构成简单，易于集成，不仅提高了激光合束位置检测精度，且提高了激光合束样机的可靠性与稳定性。
4. 针对更高功率输出的薄膜合束研究，未见公开报道。本项目通过增加子束功率，研制两路20kW激光光源，光束质量优于5。
基于超陡度合束器件的10kW合束光源已经完成研发研制，应用于多家科研院所，已安装于外场车载中，兼顾高激光亮度、高光束质量和实用性，在静态与动态实验中取得了良好的成绩，实现快速应用。其核心元件-超陡度合束器件已广泛应用于与国内科研院所的高功率装置、设备或仪器上，为激光系统性能提升及长期稳定运行提供了薄膜器件保障。
"隐形冠军"：
在10kW薄膜合束激光光源方面，目前国际报道最高水平是德国莱茵金属公司采用3路2kW激光合成近6kW激光输出，光束质量M2~1.9，体积为0.8x0.4x0.2m3，已经处于试验样机状态。南京理工大学利用2路激光合成，验证了10kW激光输出，但由于合束镜性能差，光束质量M2~10，且仅在实验室验证。同济大学光学精密技术研究所采用3路4kW(或4路3kW)激光合成，实现了11kW激光输出，光束质量M2~2.2，体积为0.62x0.54x0.154m3(0.645x0.645x149m3)已经处于样机实用状态。研制的2路10kW激光合成，实现光束质量M2~5，且已经完成验证。
在超陡度合束镜方面，国际上报道了陡度~4nm的合束薄膜，并对其激光负载能力进行了较为系统的分析，不影响光束质量情况下，合束镜能承受的功率密度为200w/cm2。国内相关单位报道的激光合束实验中，采用6nm的合束薄膜光谱陡度，激光负载能力仅为100w/cm2。研究所可以研制光谱陡度4nm、保证光束质量的前提下，合束镜能够承受500w/cm2的激光负载。
