全光纤色散管理型单腔双光梳激光器及应用

20251129

科学研究和技术服务业

关于“全光纤色散管理型单腔双光梳激光器”科技成果转化的现有基础，可以从其技术成熟度、已达到的性能指标以及所处的转化阶段三个方面进行综合审视。本项目源于北京市自然科学基金支持的本科生“启研”计划，经过北京航空航天大学研究团队的潜心攻关，目前已经完成了从理论创新、原理验证到实验室功能性原型机搭建的全过程，标志着该项技术已经从纯粹的学术探索迈入了向实用化、产品化推进的关键孕育期。 在技术成熟度方面，该成果已显著超越了初期的基础原理研究阶段，达到了在实验室环境下系统化验证与优化的水平。其核心突破在于成功构建了一套完整且运行稳定的“全光纤色散管理型单腔双光梳激光系统”。这套系统的技术成熟性首先体现在其核心光源的可靠性上。研究团队创新性地采用新型二维材料MXene作为可饱和吸收体，并将其与精密的色散管理技术相结合，通过在激光谐振腔中巧妙地配置色散补偿光纤与保偏光纤，将腔内净色散控制在接近于零的理想状态，从而在1.5微米通信波段稳定地产生了百飞秒量级的锁模脉冲。这一核心光源的成功研制，如同为整个系统打造了一颗高性能且可靠的“心脏”，其重复性和稳定性得到了充分的实验验证，为后续的工程化迭代奠定了坚实的物理基础。 更进一步的技术成熟性体现在其独特的双光梳产生机制上。项目摒弃了传统上依赖两个激光器的复杂方案，创造性地利用“偏振复用”原理，在单一谐振腔内通过引入特定长度的保偏光纤来人为制造可控的双折射效应，使得激光在腔内两个正交的偏振方向上形成传播速度略有差异的脉冲序列，最终输出重复频率存在稳定差值的双光梳。实验数据表明，该双光梳的重频差可稳定在980赫兹附近，并具备在700至1200赫兹范围内进行调谐的能力，在长达30分钟的连续观测中，其重频差的波动标准差仅为4赫兹。这一卓越的稳定性，得益于单腔结构固有的共模噪声抑制能力，证明了该技术方案并非停留在理论仿真，而是已成为一个可在实验桌上稳定复现、性能可控的实体系统。 此外，该成果的成熟度还体现在其面对实际应用挑战时所提供的系统性解决方案上。为了克服自由运行激光器难以避免的频率和相位微小抖动，团队自主开发了一套全数字后校正算法。该算法无需任何附加的硬件锁定电路，仅通过对采集到的干涉信号进行数学处理，便能有效提取并补偿这些抖动，从而将系统的频谱信噪比提升了约10分贝，并使梳齿线宽锐化至5赫兹。这种“硬件平台+智能算法”的协同优化模式，表明该项目不仅解决了一个物理器件的有无问题，更构建了一套能够自我优化、提升最终输出性能的完整技术体系，其解决实际问题的能力得到了实质性验证。 在工艺与性能指标参数上，本成果展现出了与国际先进水平媲美的竞争力，为其市场转化提供了明确的价值锚点。在核心光源方面，系统在1.5微米通信窗口实现了556飞秒和603飞秒的超短脉冲输出，初始光谱宽度经扩谱后可达到20纳米，这为高分辨率宽波段光谱测量提供了强大的光源保障。在标志双光梳性能的关键指标上，其重复频率约65.73兆赫兹，重频差稳定性优异，尤其是两个光梳输出脉冲的射频谱信噪比最高分别达到25分贝和43分贝，充分证明了锁模的质量和纯度。最终，整个系统的性能在真实的气体吸收光谱测量场景中得到了严苛的检验。在对氦化氢气体的实测中，系统所测得的吸收线中心波长与国际权威的HITRAN数据库相比，平均偏差仅为1皮米，透过率测量平均偏差为3.4%，吸收线半峰全宽平均偏差为4.8皮米。更为引人注目的是，该系统能够清晰分辨出5摄氏度以内的环境温度变化，展现了其在超高精度传感和定量分析方面的巨大潜力。所有这些性能参数均以实验数据为支撑，不仅证明了技术的先进性，也为未来产品的技术规格书提供了核心依据。

关于“全光纤色散管理型单腔双光梳激光器”项目的科技成果转化合作，我们经过前期深入的技术研发与验证，已具备从实验室迈向产业化的坚实理论基础与实验数据支撑。为实现这一具有广阔市场前景的高精度光谱测量技术的成功转化，将其从精密的实验室原型打造为稳定、可靠、可批量生产的商业产品或行业解决方案，我们迫切寻求并诚挚邀请具备战略眼光和相应资源的产业化合作伙伴共同携手。本次合作的成功，有赖于合作方在资金、场地、设备及人员等多个维度的鼎力支持与深度融合，以期共同攻克工程化路上的挑战，共享技术红利。 在资金需求方面，科技成果的转化是一场涉及多阶段、多环节的系统性工程，需要持续且充足的资金投入作为燃料。初步估算，从当前实验室样机状态发展到可投放市场的成熟产品，整个进程需要一笔覆盖研发、中试、生产及市场导入的综合性资金支持。这笔资金将主要应用于以下几个关键方向：首先是工程化研发与迭代费用，当前系统在实验室环境下表现出色，但要适应工业现场的振动、温湿度变化及电磁干扰等复杂环境，必须在机械结构、散热管理、元器件选型与固化封装上进行重新设计与反复测试，这涉及精密结构设计、仿真分析以及多轮打样与环境适应性试验，需要专项的资金保障。其次是核心光学模块的定制与小型化开发，为了实现产品紧凑化与性能优化，需要与专业的光纤器件供应商合作，定制高性能、高稳定性的微型化光学元件，如特种保偏光纤、微型偏振控制器与集成化波分复用器等，这类定制化采购成本显著高于实验室用的通用器件。 在场地与设备需求方面，从实验室走向工厂，意味着需要一个能够支撑产品“诞生”与“成长”的物理空间和硬件平台。当前实验主要在科研级的光学平台上完成，而产业化则需要功能分区明确的专业场地。首要需求是一个具备超净、恒温恒湿条件的百级或千级洁净室或洁净间。激光器的核心光路，尤其是MXene可饱和吸收体与光纤熔接点等关键部位，对空气中的尘埃和污染物极为敏感，任何微米级的污染都可能导致性能劣化甚至失效。一个可控的洁净环境是保证产品一致性与良品率的基石。其次，我们需要一个专业的产品中试车间或生产线。这个空间不仅用于存放和组装设备，更需要规划出模块化装配区、光纤熔接与测试区、老化与可靠性测试区以及最终的产品标定与包装区。它应具备稳定的电力供应、防静电设施和规范的物料流转通道。在设备方面，需求更为具体和专业化。除了常规的示波器、光谱分析仪和射频信号分析仪需要从实验室型号部分过渡到更坚固耐用的工业级或板卡式型号以集成进自动化测试系统外，我们亟需一批用于批量生产与质检的专用设备。这包括高精度的光纤熔接机，用于实现低损耗、高强度的永久性光路连接；光纤涂覆机，对熔接点进行保护以确保其长期机械可靠性；光学元件调芯仪，用于核心器件的精密对准与固定；以及一套覆盖全温区（如-10℃至50℃）的高低温湿热试验箱，用于考核产品在不同极端环境下的工作稳定性与寿命。 在人员合作与团队构建方面，技术转化本质上是人才的接力与融合。我们核心研发团队在激光物理、光学设计、纳米材料与信号处理算法方面拥有深厚的专业积累，能够持续为产品提供底层技术支持和前瞻性迭代。然而，要将技术转化为商品，必须引入一支具备工程化、产业化思维与能力的互补型团队。因此，我们亟需合作方协助或共同组建一支涵盖以下专业背景的跨学科工程团队，如光机电一体化设计工程师，他们需要将实验室中分散在光学平台上的元件，转化为结构紧凑、散热良好、抗振性强且便于批量装配的集成化模块，精通CAD、热仿真与应力分析软件。

仅限国内转让

关于“全光纤色散管理型单腔双光梳激光器”项目成果转化的预期经济效益，其前景广阔且深远，不仅体现在直接的产品销售与技术服务收入上，更在于其对高端科学仪器产业链的赋能、对下游应用行业效率的颠覆性提升以及由此催生的新质生产力所带来的巨大价值。从实验室原型迈向产业化商品，这一过程将释放出显著且多层次的经济价值。首先，最直观的经济效益将来自于高端科学仪器与传感系统市场的直接切入与替代。当前，高精度双光梳光谱系统在全球范围内主要由少数几家国际巨头所垄断，其售价动辄高达数百万人民币，这高昂的成本极大地限制了该技术在众多潜在领域的普及与应用。我们的项目成功实现了核心光源技术的颠覆性创新，通过单腔全光纤结构，从根本上摒弃了传统系统复杂笨重的双激光器架构及其昂贵的主动锁相系统。这种技术路径的革新，意味着在原材料成本、生产成本和系统集成成本上都将实现大幅下降。初步预估，在实现规模化生产后，我们能够将同等性能的双光梳光谱测量整机的成本和售价控制在传统进口设备的二分之一甚至三分之一水平。这种极致的性价比优势，将构成我们最核心的市场竞争力。一方面，我们可以迅速抢占国内科研院所、高校实验室以及部分对成本敏感的高技术企业的采购预算，实现进口替代，初步估算仅国内科研市场每年就能产生数以千万计的潜在销售额。另一方面，更为重要的是，价格的“悬崖式”下降将引爆一个此前被高价所压抑的庞大增量市场，使得众多此前不敢企及该技术的工业现场在线监测、环境网格化监测、便携式医疗诊断设备制造商等成为我们的潜在客户，市场容量有望从当前的小众科研仪器市场扩展至百亿级别的工业与消费级传感市场，其带来的直接销售收入和利润增长将是爆发式的。 其次，持续性的经济回报将来自于围绕核心产品构建的多元化、多层次的产品矩阵与盈利模式。我们并非仅仅销售一台孤立的激光器，而是提供一个基于双光梳技术的精密测量解决方案。因此，我们的产品线可以纵向延伸，形成从核心模块到完整系统的全面覆盖。例如，我们可以向战略合作伙伴或特定行业的系统集成商销售核心的“单腔双光梳激光引擎”模块，将其作为他们高端设备的核心部件进行采购，这类似于为各类“光谱测量汽车”提供高性能的“发动机”，这种B2B的商业模式能够让我们快速渗透到多个垂直应用领域，如半导体工业检测、燃烧动力学诊断、电力设备故障气体分析等，而不必完全依赖自身去开拓所有终端市场。同时，针对完整的测量系统，我们可以根据不同行业的应用需求，开发出不同形态的产品，从台架式高精度科研仪器到机架式工业在线分析仪，再到便携式甚至手持式现场检测仪，每一类产品都对应着不同的价格区间和利润空间。此外，与硬件销售相伴而生的，还有极具潜力的服务性收入。这包括为客户提供定期的仪器校准与维护服务、针对特定应用（如新药研发中的反应过程监测）的开发定制化软件算法服务、以及提供基于云平台的光谱数据分析与存储服务，构建“硬件+数据+服务”的生态闭环。这种服务性收入不仅利润率更高，而且能够创造稳定的现金流，增强客户粘性，形成长期的商业壁垒。这种多元化的盈利模式，确保了企业收入结构的健康与可持续性，能够有效抵御单一产品市场的波动风险。 第三，该技术的转化将产生强大的产业链带动效应与降本溢出价值，其经济效益将辐射至上下游产业。在上游，我们的规模化生产将带动国内高端特种光纤（如保偏光纤、色散补偿光纤）、高性能微型光学器件、精密机械加工以及嵌入式芯片等行业的需求增长和质量提升，特别是对MXene等新型纳米材料在光电领域的应用起到示范和推动作用，催生一个新的高性能可饱和吸收体细分供应链。在下游，我们的低成本、高性能双光梳系统将成为众多行业进行技术升级的“赋能器”。以环境监测为例，现有技术对于温室气体、污染气体的监测往往在精度、速度或多组分同时测量能力上存在瓶颈。我们的技术可以实现对大片区域进行实时、高精度的多组分气体分布成像，为环保部门提供前所未有的决策数据支持，其带来的社会治理成本节约和环境效益改善，最终也将转化为宏观经济效益。在工业过程控制领域，例如在石化、冶金等高耗能行业，利用我们的系统对燃烧过程进行极致优化，哪怕仅提升千分之一的燃烧效率，其节省的燃料成本和减少的碳排放惩罚，在全行业范围内都将是一个天文数字。在医疗健康领域，将其集成于呼气分析仪中，可以实现对多种疾病标志物的超高灵敏度、无创筛查，这不仅能够创造巨大的医疗设备市场，更能通过早期诊断显著降低社会医疗总支出。

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本项目“全光纤色散管理型单腔双光梳激光器及应用”源于北京市自然科学基金支持的本科生“启研”计划，由北京航空航天大学王光学、付博等研究人员完成。该研究面向高精度光谱测量领域中对低成本、高相干性双光梳系统的迫切需求，针对传统双光梳系统结构复杂、成本高、相干性受限等问题，提出并实现了一种基于单谐振腔的全光纤色散管理型双光梳激光系统，具有重要的理论创新性与实际应用价值。 科技成果的源头可追溯至光学频率梳技术的发展。光频梳作为一种具有宽光谱、高频率分辨率和极佳灵敏度的新型光源，极大地推动了精密计量与光谱学的发展。双光梳技术作为其重要分支，通过两列重复频率略有差异的光频梳进行外差干涉，将光频信号转换至易于探测的射频域，从而实现高精度、高速度的光谱测量。然而，传统双光梳系统通常依赖两个独立锁模激光器，不仅结构复杂、成本高昂，且因环境扰动和频率抖动导致系统相干性难以维持。针对上述瓶颈，本项目创新性地提出“单腔双光梳”技术路线，即在同一激光谐振腔内通过偏振复用机制产生两列具有稳定重复频率差的锁模脉冲序列，从而在保证高互相干性的同时，显著简化系统结构、降低成本。 该系统的技术原理涵盖多个关键环节。首先，研究团队设计并搭建了基于新型二维材料MXene的可饱和吸收体的全光纤锁模激光器。MXene材料具有宽波段响应、高损伤阈值和优异非线性特性，结合色散管理技术，通过在谐振腔中引入色散补偿光纤与保偏光纤，精确控制腔内净色散接近于零，从而在1.5 μm通信波段实现了百飞秒量级的稳定锁模脉冲输出。其次，通过腔内偏振复用机制，利用保偏光纤引入可控双折射，使得正交偏振方向的脉冲因群速度差异而走离，形成重复频率略有不同的双光梳输出。此外，为提高系统在实际测量中的稳定性和精度，项目还开发了一套全数字校正算法，基于互相关函数对干涉信号中由重复频率与载波包络偏移频率引起的相位和频率抖动进行实时补偿，显著提升了频谱信噪比与测量分辨力。 在关键性技术指标方面，本项目取得了多项突破。实验系统实现了脉冲宽度分别为556 fs与603 fs的双光梳输出，重复频率分别为65.73313 MHz与65.73411 MHz，重复频率差约为980 Hz，并可在700–1200 Hz范围内进行调节。输出光谱经扩谱后宽度可达20 nm，射频频谱信噪比最高达43 dB。通过数字校正技术，系统成功将梳齿线宽压缩至约5 Hz，信噪比提升约10 dB，表现出优异的频率稳定性和抗干扰能力。在气体吸收光谱测量应用中，系统对氦化氢（HCN）气体在1560 nm附近的吸收线进行探测，结果显示吸收线波长平均测量偏差仅为1 pm，透过率平均偏差为3.4%，吸收线半峰全宽平均偏差为4.8 pm。尤为突出的是，系统能够分辨出5℃以内的温度变化，展现出高灵敏度的温度反演能力。 从应用前景来看，该项研究成果具有广泛的适用性和重要的社会经济效益。全光纤、单腔集成的设计使系统具备结构紧凑、环境适应性强、成本低的优势，非常适合于现场检测与在线监测场景。在环境监测方面，该系统可用于大气污染物如CO??、CH??等的实时高精度探测；在工业过程中，可用于燃烧气体组分分析、工业废气排放监测；在医疗健康领域，其高灵敏度与快速响应特性适用于人体呼气中标志性气体（如CO、NH??）的检测，为疾病筛查与健康监测提供新方法。此外，该技术还可拓展至阿秒脉冲产生、量子传感、多维光谱成像等前沿科研领域，具有推动光学测量技术向更高精度、更强功能发展的潜力。未来，通过与气体传感器厂商、环保设备企业合作，推动系统模块化、智能化与多功能集成，将进一步加速其产业化进程，构建智能光谱感知网络，为科学研究与产业升级注入新的动力。 综上所述，本项目不仅在技术上实现了单腔双光梳激光器从原理设计到系统搭建的全链条突破，还通过数字信号处理手段提升了系统的实用性与鲁棒性，为高精度、低成本、便携式光谱测量系统的开发奠定了坚实的理论与实验基础，具有显著的科技创新价值和广阔的应用前景。