72超短超强激光的超高脉冲信噪比关键技术及应用

1、2019年度国家技术发明奖提名公示材料项目名称超短超强激光的超高脉冲信噪比关键技术及应用提名单位教育部提名意见（不超过600字）超短超强激光是支撑重大前沿科学、国家安全和未来聚变能源的国际性战略高技术，得到国家863计划和国家重大专项的长期重点支持。脉冲信噪比质量决定着超短超强激光的强场物理应用效果。如何进一步提升当前拍瓦强激光的信噪比质量和解决今后百拍瓦激光的超高信噪比世界性难题是该领域的关键挑战。该项目创建了解决上述挑战性问题的系统性能力，授权发明专利20项（含美国专利5项），主要发明点包括：（1）发明了脉冲信噪比的超高动态范围单发次测量技术，首次使得超短超强激光领域具备了实时观察信噪比的

2、“眼睛”；（2）发现了强激光的时空噪声等四种噪声机理及演变规律，为提升信噪比质量提供系统优化设计的“准则”；（3）发明了光谱“带内滤波”新概念技术，为追求理论极限的超高信噪比提供无噪声或低噪声放大强激光的“途径”。该项目研制成功国际上唯一实用化的超高信噪比单次测量仪，通过了863专家组验收和应用单位测试，动态范围核心指标比国际报道最好结果高两个数量级以上。经中国光学工程学会组织的权威专家组鉴定，该项目成果的关键技术和核心指标领先国际水平。该项目成果已获重要应用，产生了显著的社会和经济效益，提升了我国超短超强激光领域的技术水平，为国豕重大专项和863咼技术做出不可或缺的重要贡献。2017年获教育

3、部技术发明一等奖，合作获香港求是基金会2018年度唯一的杰出科技集体成就奖。对照国家技术发明奖授奖条件，决定提名该项目为2019年度国家技术发明奖二等奖。项目简介峰值功率咼达拍瓦（1015W）量级的超短超强激光是支撑强场物理前沿科学、国家安全和未来聚变能源的战略高技术。G.Mourou和D.Strickland在1985年发明的啁啾脉冲放大（CPA）”技术使得超短”走向超短+超强”，获得2018年诺贝尔物理学奖。CPA技术解决了大幅提升峰值功率规模的放大问题，但同时衍生出对脉冲信噪比质量的前所未有的苛刻要求。为抑制强激光脉冲的前沿噪声对强场物理效果的破坏作用，当前拍瓦激光和规划中的百拍瓦激光相

4、对于它们脉冲前沿噪声的信噪比分别需要优于109和1011，这是超短超强激光领域的关键挑战。为突破脉冲信噪比质量瓶颈，该项目从单次实时观察、恶化机理分析和放大器降噪三个环节着手，创建超高信噪比的系统性能力。主要技术发明点如下：（1）发明了脉冲信噪比的超高动态范围单发次测量技术，首次使得超短超强激光领域具备了实时观察脉冲信噪比的“眼睛”。超高动态范围的单发次阵列化测量对传统CCD的响应灵敏度提出了挑战，该项目独辟蹊径发明了光纤阵列取样和光电倍增管（PMT）接收的阵列探测器。由于PMT具有接近单光子探测的极限能力，使得动态范围高达31010，超越国外报道最好结果2个数量级以上。为进一步解决超高灵敏探

5、测中普遍存在的杂散假信号与测量失真的关键问题，该项目发明了抑制空气散射污染和残余反射污染的高保真度探测技术。（2）发现了超短超强激光的时空噪声等四种噪声机理及演变规律，为提升信噪比质量提供系统优化设计的“准则。不冋于传统激光放大,啁啾”环境使得CPA放大的噪声来源多、机制复杂。该项目新发现时空噪声、次峰衍生、散射噪声、非线性拍频四种寄生噪声，系统阐明了噪声增长的演变规律，被我国“强光拍瓦和“SULF十拍瓦装置采纳应用，列为建设和运行过程中的操作规范。（3）发明了光谱“带内滤波新概念技术，为追求理论极限的超高信噪比提供了无噪声或低噪声放大超短超强激光的“途径。传统光谱技术只能滤除信号光谱以外的“

6、带外噪声。该项目提出基于时空耦合效应在光谱与空间两维平面内操控超快激光并使之与噪声分离的新思路，发明了“带内滤波技术，可对超短超强激光放大器进行降噪处理，首次实现超高信噪比（1011）脉冲的低噪声放大。该项目授权发明专利20项（含美国专利5项），在Laser&PhotonicsReviews和NatureCommunications等学术期刊发表SCI论文37篇,3次入选中国光学重要成果，被美国期刊LaserFocusWorld亮点介绍2次，作国际会议邀请报告12次，2017年获教育部技术发明一等奖。该项目研制成功国际上唯一实用化的超高信噪比单次测量仪，作为核心器件应用于我国全部5套拍瓦激光装

7、置（经费超过5亿元），提升了它们的脉冲信噪比质量，代表着世界上首批成功的工程应用。该项目成果促进了8路皮秒拍瓦激光装置的国家立项（经费超过10亿元），为上海张江国家科创中心孵化了重点建设项目（经费1.46亿元）。鉴定专家组认为该项目成果是强激光领域首次由我国原创的关键技术和核心器件，为国家重大专项和863高技术做出不可或缺的重要贡献，对推动强激光持续创新具有深远意义。客观评价1.项目鉴定结论（附件3.1）2018年12月18日，中国光学工程学会组织召开“超高信噪比的超短超强激光关键技术及应用成果鉴定会，鉴定委员会由中物院、中科院和北京大学的本领域8位著名学者组成（组长：贺贤土院士；副组长：范滇

8、元院士和张杰院士），主要鉴定结论为：“该项目成果是首次由我国原创的超短超强激光关键技术和核心器件，为国防重大专项和863高技术做出了不可或缺的重要贡献；该项目成果孵化出国家和地方重大科技计划的重点建设任务，对持续推动超短超强激光领域的创新发展具有深远意义；该项目成果关键技术和核心指标领先国际水平。”国家863计划项目（七年滚动支持）的验收意见（附件3.2）2017年3月31日，国家863-804主题专家组在上海张江组织召开了单次信噪比测量技术项目验收会（组长为国家重大专项副总师戴亚平研究员），验收意见为：该项目在关键技术攻关方面取得了重要突破，达到了远超国际最好水平的动态测量范围，实现了世界范

9、围内首批成功的工程应用，及时解决了国家863高技术和重大专项建设的迫切需求，推进了我国强激光领域相关技术的进步。验收专家组经讨论一致同意通过项目验收，验收结果为优秀。科技查新结论（附件3.3）在国内外公开发表的文献中，除该项目课题组的研究结果外，未见与该委托查新课题类似的相关文献报道。查新点包括：1）发明了基于光纤阵列和光电倍增管的并行探测系统，以及抑制空气散射污染和残余反射污染的“高保真度”探测技术。2）新发现后沿脉冲因光谱调制的增益饱和高阶失真产生的预脉冲噪声、散射参量噪声、非线性拍频噪声、时空耦合噪声四种寄生噪声。3）发明了基于空间-光谱耦合效应的光谱带内噪声滤波新概念技术。“脉冲信噪比

10、单次测量仪”技术测试结论（附件3.4）2014年8月10日，中科院上海光机所（中科院/中物院高功率激光物理联合实验室）在神光-II拍瓦激光上对1053nm波长脉冲信噪比单次测量仪进行了技术测试，实测指标优于合同设计指标，结论为：“在国际上首次解决了超短超强激光脉冲信噪比单次测量对1010动态范围的关键技术指标需求，已经成功应用于国家重大专项工程“神光II高能拍瓦激光装置的工程建设和在线实时诊断。”2016年12月10日，中物院激光聚变研究中心在OPCPA数拍瓦激光系统上对“800nm波长脉冲信噪比单次测量仪进行了技术测试，实测指标达到合同设计指标，结论为：“在动态范围优于1010水平上解决了脉

11、冲信噪比单次测量这一科学技术难题，可满足数拍瓦级超短超强激光的脉冲信噪比单次测量需求，解决了国家大型激光装置的应用急需。”学术影响2017年包括法国高科技公司Fastlite在内的欧洲四家科研机构联合组队，对信噪比单次测量技术进行国际性评估和对比（Opt.Express2017,25:12588），将该项目与美国、法国的技术同列为国际代表性的四种测量方法，该项目技术对应着最高的测量动态范围1010。表1表明该项目唯一全面达到拍瓦激光实际应用所需要的动态范围（109）、时间窗口（50-100PS）、超快分辨（1ps）的综合测量能力。表1信噪比单次测量技术对比（摘自文章Opt.Express201

12、7,25:12588的表1）NsujjcDtisullcTriiLporarsngep口Re&olutiiQU【対SanipJiugOperalingprincipleSRSI-ETE法国Fastlit曰公iIS等20900XPWSRSI-ETE$治胡耳shot,HpntLQ-iemporalinlbnuAtiooiLLE6“美国i炉F切斯恃大22006000g验室35opticalpnhc疝堆1芒allot55CC-NOPATANK7笑国；IOJ务斯阿拉莫!50軒国家实验I40D012PAbased.SSCC-OFGUniv,Shniifliai8j卜海：|0lfl芒通大学“基于光纤阵列的脉

13、冲信噪比单次测量方法、“基于高阶准位相匹配互相关的信噪比单次测量技术、啁啾脉冲放大系统时空噪声的测量与甄别”三项工作先后入选2008、2012和2015年度中国光学重要成果（附件3.8）。中国光学重要成果每年评选20项国内光学重要论文工作，现已更名为中国光学十大进展。2015年3月专业报道世界光科技发展动态的美国激光杂志紅aserFocusWorld以Single-shotcross-correlatorhas1010dynamicrange”为题亮点报道该项目成果“信噪比单次技术（附件3.5）2018年10月紅aserFocusWorld以Spatiospectralcouplingenab

14、lesin-bandnoisefilteringforultrafastlasers”为题亮点报道带内滤波技术”（附件3.6）在国际重要学术会议做邀请报告12次，包括2016年国际信息光学与光子学会议（CIOP）大会报告（附件3.7）。2018年，应强激光专业SCI期刊HighPowerLaserScienceandEngineering主编ColinDanson邀请，发表题为Single-shotcross-correlatorforpulse-contrastcharacterizationofhighpeak-powerlasers”的脉冲信噪比单发次测量技术的综述性长文（HighPow

15、erLaserSci.Eng.2018,6:e61）（附件3.9）。“强激光信噪比单发次测量，与暗物质探测”和Majrana费米子”一起，被列为上海交通大学近5年物理学科建设取得的三项代表性成果，为“物理学”入选教育部A类学科（2017）和上海市高峰学科（2018）做出了重要贡献（附件3.6）。6.科技奖励超短超强激光脉冲超高信噪比的单发次测量技术与应用获2017年度教育部技术发明一等奖（附件3.10）。“强激光信噪比单发次测量作为代表性成果之一，支撑张杰和钱列加领衔的强场激光物理团队获得香港求是基金会2018年度唯一的杰出科技集体成就奖（附件2.17）。该项目在解决强激光脉冲信噪比单次测量世

16、界性难题的基础上，成功研制了国际上唯一实用化的超高信噪比单次测量仪器（动态范围3x1010）,并开展了世界范围内首批成功的工程应用。超高信噪比单次测量仪在我国全部的5套拍瓦级激光装置上开展了工程应用和在线监控信噪比（表2和图1）,这些激光装置包括中科院上海光机所（中科院/中物院高功率激光物理联合实验室）的神光II”钕玻璃高能皮秒拍瓦激光、中科院上海光机所（强场激光物理国家重点实验室）的强光钛宝石拍瓦激光、中科院物理所（光物理重点实验室）的极光钛宝石拍瓦激光、中物院激光聚变研究中心的OPCPA数拍瓦激光、中科院上海光机所（强场激光物理国家重点实验室/上海张江国家科创中心）的SULF十拍瓦激光。测

17、量仪还应用于上海交通大学的商品化200TW钛宝石激光系统（Sci.Rep.2014,4:3818）,首次对国际商品化强激光器的信噪比进行了单次测量和信噪比质量检验。作为分系统级器件，信噪比单次测量仪与强激光系统一起共同构成完备的实验运行装备，解决了国家重大专项和863高技术面临的卡脖子问题。应用情况图1.信噪比单次测量仪在神光II和SULF拍瓦装置在线应用的照片该项目发明的光纤阵列/光电倍增管的高灵敏探测系统被应用于构建测量神光II拍瓦激光脉冲宽度的单发次自相关仪（Appl.Opt.2012,51:3989），其高灵敏度和稳定度使得测量仪器成功描绘神光II输出脉宽随压缩器啁啾量变化的“V字型”

18、特征曲线，对神光II拍瓦系统早期建设过程中的优化调试发挥了重要作用。另外，该系统的高灵敏阵列探测能力使得该项目组首次发现了OPCPA强激光放大中的散射噪声机理（Opt.Lett.2015,40:3396），并单发次测定了常见光学元件表面散射和空气瑞利散射的强度和分布。该项目发现的CPA强激光噪声机理次峰衍生（图2）和远场时空噪声”，2018年被上海光机所强场物理国家重点实验室团队实验检验和确证（Chin.Opt.Lett.2018,16:053201；IEEEJSTQE2018:8800506）,并在其“强光”和-4=BEE-E2-E31TpTEpul&Bl2，c=PDS4-puiSESULF

19、”超短超强激光装置应用这些噪声演变规律，列为建设和运行过程中的操作规范。-km-50图2.次峰衍生噪声的实验验证表2.主要应用单位情况表单位名称应用的技术咸用对象及戏模应用起止吋间单位联話人/电话1中科院上海光机所（中科院/中物院高功率激光物理联合实验室）信噪比社次测呈整悴技术屋仪器【1054nm波长版本在线监测神光ir妆玻矯柏瓦系统的倩噪比,苞至201S年底,累计在践运彳超过20E笈次：20141-至今（附件1.4）刘德安138176592992中国匸程物理研咒院激光聚变研究中心信噪比单次测虽整体技术及悅器tSOOnm波怅版本）测虽OPCPA数拍瓦激光祭统的信噪比;截至2D18年底+累计运疔

20、73余发次=2016.4-至今（附件2.1）王晓东139901865173中科院匕海光机所强炀激光物理国尿巫点崟验室）信噪比单次测量蔡体技术及仪器（SOOnm波长版本测虽强光杯钛宝石扪瓦系统猪噪比；就至20呂年底，累计运行超过300发2015.7-至今（附件2.2）阵雨欣13818&02&454中科瞬物理所光物理重点实骑室）信噪比单次测量整体技OOOnrn波栓版本）为*极光钛宝石拍瓦聚统测量信噪比;截至2O18年底累计运行超过500发氐2012.9-至今（附件2.3）土兆华13488S959085中科院上海光机所强场激光物理国車实验室/上海张応科创中心）信噪比单次测呈整体技术及彳丈器（800n

21、m波怅版本）测就僭ULT|拍瓦钛宝石泵统的佶嗓比:截至2018年底,累讣运厅超过5D发必201G.10-至今（附件2.2|拎雨就13818&02&45石中科院上海光机所中科射中物院高功率激光物理联合实验室）基于光纤阵列F光电倍増管的高灵敏井厅探测系统沟神光11扬瓦系统提供测虽.瞇宽的单次自相关仪，乐担了早期100发次的脉宽测邑任务。201L6-2012.5（附件1.4）刘德安138176592997中科院上海光机所【强场滋光物理国家仗点崟验室抚峰衍生嗥声和远场时空咂声的机理孜其滴变规律在强光k拉瓦和SULF十拍瓦激光裝置中采纳*列沟崖设和运行调试过程中的操作规范.2017.fi!至令（附件2.

22、2）阵雨肚13816602&45主要知识产权和标准规范等目录知识产权（标准）类别知识产权（标准）具体名称国家（地区）授权号（标准编号）权利发明证书编人发明人（标准起草人）专利号（标准（标（标批准发准起准）布部门）草单有效位）状态授权（标准发布）日期发明专利Methodandsystemfordetectingsingle-shotpulsecontrastbasedonfiberarray美国US8071934B22011.12.6US008071934B2复旦大学钱列加、张东方、袁鹏、朱鹤元有效发明Spatiotemporally美US9572017.US00957上海钱列加、有效专利res

23、olvedfar-field国4946B2.214946B2交通马金贵、pulsecontrast2大学袁鹏、王measuringmethod静、王永anddevice志、谢国强、范滇元发明Methodforfiltering美US9202015.US00920上海钱列加，有效专利noisesinoptical国3207B12.13207B2交通王静，袁parametric2大学鹏，马金chirped-pulse贵，王永amplifieranddevice志，谢国therefore强发明High-fidelitydevice美US8692014.US00869复旦钱列加、有效专利forsing

24、le-shotpulse国8082B4.158082B2大学王永志、contrast2袁鹏、马measurementbased金贵、谢on国强quasi-phase-matching(QPM)发明Single-shotpulse美US9012015.US00901复旦钱列加、有效专利contrastmeasuring国2844B4.212844B2大学马金贵、devicebasedon2袁鹏、王non-harmonic永志、张long-wavlength东方、朱samplingpulse鹤元发明一种基于高阶准位中ZL20122015.1599413复旦钱列加、有效专利相匹配互相关的信国1034

25、23.4大学马金贵、噪比单次测量方法611.5王永志、及苴装置丿、F=l.袁鹏、谢国强、朱鹤元发明基于非谐波长波长中ZL20112014.1332930复旦钱列加、有效专利取样光的脉冲信噪国100481.8大学马金贵、比单次测量装置052.2袁鹏、王永志、张东方、朱鹤元发明专利时空分辨的远场脉冲信噪比测量方法和装置中国ZL201410369996.32017.2.152381332上海交通大学钱列加、马金贵、袁鹏、王静、王永志、谢国强、范滇元有效发明专利一种提高光参量放大器输出放大信号光脉冲和光束质量的方法中国ZL200810032499.92008.1.10679517复旦大学钱列加，任红艳

26、，罗航，袁鹏，朱鹤元有效发明专利光参量啁啾脉冲放大器噪声滤除方法及装置中国ZL201410135997.12014.4.42566054上海交通大学钱列加，王静，袁鹏，马金贵，王永志，谢国强有效主要完成人情况1、姓名：钱列加排名：1行政职务：无技术职称：教授工作单位：上海交通大学完成项目时所在单位：上海交通大学对本项目技术创造性贡献：项目团队负责人，研究方案制定者，关键技术发明点的主要提出者；863计划项目前两年（2009和2010年度）的第一承担人；知识产权目录中所列10项主要授权发明专利的第一发明人。1篇上海市优秀博士论文脉冲信噪比单次互相关测量的新技术研究和1篇上海市优秀硕士论文超短脉冲

27、信噪比单次测量技术的指导教师。2017年教育部技术发明奖“超短超强激光超高信噪比的单发次测量技术及应用”的第一完成人。曾获国家科技奖励情况：2007年，国家科技进步奖，一等奖，项目名称：BTW-9，第9完成人，证书编号：2007-J-24502-1-01-R092、姓名：马金贵排名：2行政职务：无技术职称：讲师工作单位：上海交通大学完成项目时所在单位：上海交通大学对本项目技术创造性贡献：项目骨干研究成员，对第1项技术发明作出了创造性贡献，发明了高阶准位相匹配互相关、长波长取样技术和时空互相关技术，是该成果三篇对应论文的第一作者；参与完成了9项发明专利；全程参与了信噪比单次测量技术的工程应用，负

28、责了中物院和上海光机所四台信噪比单次测量仪的研制工作;博士毕业论文入选2016年上海市优秀博士论文；凭借在该项目中取得的优异成绩，获2012年王大珩高校学生光学奖，并入选2017年度上海市青年科技英才扬帆计划”2017年教育部技术发明奖“超短超强激光超高信噪比的单发次测量技术及应用”的第二完成人。曾获国家科技奖励情况：无3、姓名：袁鹏排名：3行政职务：无技术职称：副研究员工作单位：上海交通大学完成项目时所在单位：上海交通大学对本项目技术创造性贡献：项目骨干研究成员，863计划项目后五年(2011-2015)的第一承担人，对3个核心发明点均做出了重要贡献，是信噪比测量和噪声机理方面多篇学术论文的

29、通信作者，知识产权目录中所列10项主要授权发明专利的主要发明人；本项目执行过程中协助培养了2名博士后、3名博士研究生和2名硕士研究生；入选2012年度上海市晨光计划；2017年教育部技术发明奖“超短超强激光超高信噪比的单发次测量技术及应用”的第三完成人。曾获国家科技奖励情况：无4、姓名：王静排名：4行政职务：无技术职称：助理研究员工作单位：上海交通大学完成项目时所在单位：上海交通大学对本项目技术创造性贡献：项目骨干研究成员，对第2项和第3项主要技术发明做出了重要贡献，是噪声机理和带内滤波技术方面所有论文的第一作者，参与发明了4项专利技术。2017年教育部技术发明奖“超短超强激光超高信噪比的单发次测量技术及应用”的第四完成人。曾获国家科技奖励情况：无5、姓名：谢国强排名：5行政职务：无技术职称：教授工作单位：上海交通大学完成项目时所在单位：上海交通大学对本项目技术创造性贡献：项目主要参研成员，参与发明了“时空互相关和高阶准位相匹配互相关等两种新构型”附件1.2、1.3、3.11、3.13、3.15、3.17中授权专利的主要发明人之一，附件3.19、3.223.29中代表论文的作者之一。曾获国家科技奖励情况：无6、姓名：朱鹤元排名：6行政职务：无技术职称：教授工作单位：复旦大学完成项目时所