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标题:给科学院学部的公开信(草稿)

1楼
opro 发表于:2012-12-7 13:36:35
 

“光纤激光相干合成”辩论之一——刘泽金教授科学院学部院士殿堂的演讲的基本原理错误和质疑

下面给大家一个网站,希望大家去听听中间的视频,国防科大刘泽金教授在科学院学部,前沿科学“光纤激光相干合束”的学术演讲。

http://www.casad.cas.cn/document.action?docid=12915

科学院学部是中国科学家的最高而不是之一的庙堂,刘泽金教授在这个中国科学最高庙堂上的演讲,是每一个中国科学家的最大荣誉。同样这里也是一个不容一个“和尚”在庙堂上念“歪经”的地方,如果神圣的庙堂上有了“歪经”没有人敢出来批判,那才是中国科学的悲哀,因为这里寄托了全体国人几百年来民族复兴的希望。我认为刘泽金教授的演讲存在违背物理基本原理的东西,希望科学院学部给予澄清。

刘教授的这篇演讲,我和其他人不一样,我是带着批判的准备来听这篇演讲的,从2004年开始我就在批判“相干合成”,但是初听这个视频,也被难懂的名词给震撼,反复多听几天,又看了他的学生周朴的博士论文后,才开始动笔一面听一面看一面写。

一、刘教授一个基本概念的错误“.。。。亮度增加N倍。。。”

刘教授说:“N束相位锁定的平行放置的平行光束,在远场会聚成一起,功率增加了N倍,直径加大了,束散角降低了,亮度增加了N倍。”

当从科学界最高庙堂中传述出这个声音的时候,我很震撼,我的震惊出自一个最基本的定律,光束的亮度是原始“天定”,经过任何光学变换只会变差,不会变好。刘泽金教授既然来到中国科学界的神殿作演讲,为什么这样说应该有他的道理。

写到这里的我,我要感谢刘教授,“五十知天命,六十耳顺,七十从心所欲不越矩”,几年前自我感觉在半导体激光应用光学系统的理论设计、工艺实现方面到了“知天命”的境界,知道什么是可行什么不可行的“天命”,我从不违背,我气盛,2011年公开实名宣布,从2011年9月开始,国内学者公开发布半导体激光耦合的文章,一定不能犯原理错误,我会对他们的文章做出详细分析,您的学术前景很有可能不妙了。我从没有在国内外任何杂志上发表一篇文章,但是《北京工业大学王智勇教授造假论文详细分析》一文是我写的,应该说Bar或多Bar切割、重组方法的整形或耦合,在我的文章中也可算一个点了。我感谢刘教授,您让我自信又近了一步,就是悟到了“耳顺”的重要,我需要按照刘教授的思路,来分析刘教授的演讲和周朴的论文。

刘教授的话中有一点说错了,“束散角变小”,应该是束散角不变,他为何这样说?我想大概是高斯光束在远场,球面波R越大,曲率越小,越接近零。就这一个错误,还不能够说刘教授“亮度增加N倍”的话是错误的。请看图二,这是7束准直后并排排列的平行光束,(B)代表出射时的理想情况,(A)表示10公里处光斑会聚情况(本图准直光斑直径116毫米)。有:

当7束平行光束直径为1.35毫米时,束散角1毫弧度,10公里远场形成直径10.00405米的理想光斑,基本重合;

准直光束为直径13.5毫米时,束散角0.1毫弧度,10公里形成直径1.0405米光斑,也认为光束合束;

当直径为116毫米时,得到平行发射系统的最佳值,10公里处出现最小会聚光斑直径0.464毫米的会聚光斑,这时候光束是否合束,请大家见理想模拟图二中(A)。

刘教授说远场“亮度增加N倍”也有他的依据,当束散角1毫弧度,0.1毫弧度的时候,7束光毕竟基本会聚到单束光直径13.5米和1.35米光斑里面了,亮度增加N倍似乎成立,如果用这时的数据计算亮度,显然亮度是下降的。

在物理学中间有一个定律(拉格朗日-亥姆霍兹不变量):

N1*U1*H1=N2*U2*H2

这个公式对于从事半导体激光应用光学系统研究、产业化的人来说,就是“天命”,我们追求的最高境界。

从发射口计算亮度是7束光组成一个圆的面积乘束散角,乘积的平方除7倍功率,这才是亮度。

那么远场光束质量见图十一,就是d*2*tan(A/2),

   d*2*tan(A/2)=(2*F*tan(B/2))*(D/F)=2*tan(B/2)*D

2*tan(B/2)*D就是发射平行光阵列口的光束质量,这样就说明,远场光束质量并不是刘泽金教授在中国科学家的最高圣殿上说的,“远场亮度增加了N倍”。

再就是N束光假设相位被控制了,也没有N*N的效果,光功率密度增加了N倍:

如果说光束亮度由于N束光相干使得亮度增加N倍,那么就意味着面积缩小了N倍,见图五,

 

发光区直径是非相干光的1/(N)1/2,如果N=7,1/1.4;N=19,1/4.36。远场光路实际相位图见图九

这样干涉图也不是周朴论文中所示,见图八,中心有一个类似发射孔直径那么大小的最高功率的平顶,平顶上有一些干涉凹凸。周围的干涉也不是很锐,凹凸比较缓。所以亮度不可能有显著增加,谈不上N倍。

二、“相干合成”理论上的缺陷

A.“相干合成”的先决条件是“远场相交”;

B.目的是,在远场相交区域,中心局部区域形成光功率密度,相对“非相干合成”增加N倍,形成理论上“N*N”的干涉效应;

C.首先,由于远场无论如何不能形成完全相交,中心干涉是一个平顶区,这个因素就决定,中心干涉区不存在“N*N”的干涉区,理论上仅有q*N(q小于1)倍;

D.由于高功率光纤激光不可能实现保偏,即使在q*N的干涉区内,偏振是随机的,即使相位锁定的,偏振效应在0——N*N之间随机变化,最终时间平均,其实就是“非相干合成”图八(C)中的效应,光功率的叠加。

注意,“干涉仪”就没有随机偏振对相干的影响,由于两束相干光是一束光分光形成,偏振一致。

C.“相干长度”的影响,任何干涉必须在N束光相同的相干长度内实现干涉和相位锁定,相位锁定是需要时间的,在一个时间段,N束光的相同“相干时间小于这个时间段,说定了的相干时间段又小于”相干时间“。所以,这也决定了N束“相干合成”光束,从理论上是不可能实现“N*N”干涉效应的。

D.结论,“相干合成”理论依据不足。

1.“相干合成”的干涉和“非相干合成”的相干的区别

A.“相干合成”:

由于相位锁定,在远场相交区域一定程度人眼可以观察到类似图二(A)和图八(B)结合的干涉区域。

B.“非相干合成”:

在远场相交区域,相干随时随地出现,但是时间平均是图八中(C)。

2.“相干合成”的目的:

“相干合成”的目的,是在N束光的相干区域,争取某个局部相干区域形成局部干涉光功率密度比非相干合成增加N倍。

3.“相干合成”的要素:

第一、N束光相交于某区域产生干涉;

第二、振幅方向锁定;

第三、在N束光“共同”相干长度内,相位锁定干涉长度的比率。

4.“相干合成”理论缺陷的三个方面

41 “相干合成”难以实现局部区域的功率密度增加N倍的干涉:

A.完全合束,如图十二所示,违背基础物理原理

当两束光完全重叠,振幅重叠,如图所示,才可能出N*N倍功率,注意这里已经不是瞬时,局部区域的功率密度增加N倍,是整个干涉区域的平均功率增加了N倍,这是不符合能量守恒定律的,所以这种“相干合成”是不存在的。

B.远场相交:

 见图二、图九、图八,在远场相交区域,干涉图类似图八(B),但是没有图八(B)那样锐利,中心干涉区,是一个平顶,直径类似图二种(B)的直径,周围有图八(B)中的外面六个干涉平顶,七个平顶之间,类似图二(A)中,还有一些对称形成的更低的凸出,谷底也不是很低,中心平顶,7个次平顶,低平顶之间的差,谷底和中心的平顶之间的差,不是很大,坡度比较缓,由于相位锁定局部亮度增加不是很明显。

这样就很难找到,功率密度提高N倍的局部区域。

4.2 偏振方向的影响(也就是4.1分析的基础上的进一步相干的降低):

假设两束光的振幅相等为A,

A、偏振方向一致,形成4A*A(也就是图八中间,理想的(B)和(C)。);

B、偏振方向形成45度,COS2(22.50)*A*A(也就是图八中(B)和(C)最高亮度差降低到COS2(22.50)倍。);

C、偏振方向形成90度,2*A*A(图八中(B)和(C)的局部亮度相等);

D.135度,COS2(67.50)*A*A(图八中(B)的亮度低于(C))

E.180度,0

由于高功率光纤激光难以实现保偏,双包层光纤如果实现保偏,一方面增益芯光纤的应力和高吸收难以实现高功率;第二保偏光纤保包层结构,难以使包层中的泵光进入芯光纤。所以即使相位锁定,也难以实现“相干合成”局部功率密度增加N倍的设想。

4.3 “相干长度”的影响使得(4.1分析中类似图八(B)中局部亮度增加的可能进一步失去)

A.所谓的单频或准单频千瓦光纤激光,是通过十几毫瓦或几十毫瓦单频固体激光MOPA,M级放大实现的,带宽1MHz。从注入到千瓦输出,光程应该大于1.5倍光纤长度,几十米到接近100米的光程(测量空间光程加电路延时到完成相干调整,需20米光程,光纤实际长度40米左右。),而1MHz带宽的相干长度300米。

所以,认为从单频注入开始,到完成相位测量,到相位调整需要经过100米以上光程

B.当N束光通过同一个种子放大后,输出千瓦的时候,相干长度的1/3是随机相干,第一次测量并不一定能够准确地确定,N束光的相互相位差,第一次调整后,又经过1/3相干长度,再调整相位,理想状况相位锁定,也就说一个相干长度周期,仅1/3时间是相位控制的,实际是仅两个周期很难完成相位锁定,然而第二个相干长度又来了。

C.上述相干合成是建立在一些假设中间的:首先、只有系统误差;第二,十几毫瓦级单频光经过M级放大,没有产生噪声,或噪声没有淹没单频光;第三、采用“外差法”测量的,即使这样,两个周期也是理论上完成相位锁定,实际是很复杂的,而刘教授所谓的“随机并行阶梯下降法”,方法,根本就不可能鉴别是他在1.064微米内调整,产生的相位变化,还是在100米传输过程中某一点产生的系统误差或随机误差。

5.结论

5.1 “相干合成”的先决条件:

N束相位锁定光在远程交汇。

5.2 “相干合成”的目标:

在相交区域,在中心局部区域发生干涉,产生局部干涉区的光功率密度是“非相干合成”在同样区域的功率密度的N倍。

5.3 三种因数造成这种N倍无法形成

A.干涉区:

N束远场会聚光不是一个点,是一个平台,不可能形成N*N的干涉,所以功率密度增加不是N倍,是q*N倍(q小于1),周朴给出的“相干合成”干涉图,图八(B)是不正确的,作为已经花费上千万科研经费的单位,不提供一个理想的计算机模型是说不过去的。

B.偏振锁定:

高功率光纤激光器,不可能保偏的,随机的偏振对于“相干合成”的干涉和“干涉仪”中的干涉是有区别的。

“干涉仪”由于两束光取之一束光,偏振是一致的;“相干合成”中的两束光分别来之不同光纤,是随机的,这样即使两束光锁定,时间积分,即使空间有相位差,干涉也是随机的,时间平均干涉项不存在了。

5.4 相干长度:

干涉发生在一个相干长度内,在一个相干长度内锁定的时间长度,是“相干合成长度”,“相干合成长度”/相干长度=p小于零,这就是说N*N的N倍,实际是p*N倍。

在周朴的论文中,相干种子源是单频固体激光,带宽1MHz,相干长度300毫米,从上述分析,p小于1/3,即N/3.

干涉必须在相干长度或相干时间内完成,“相干合成”的相位锁定长度小于相干长度。这些好像周朴论文中看不到,以至于刘教授发明 “随机并行阶梯下降法”,以至于刘教授在中国科学家的祖庭,神圣殿堂上的演讲会发出“准单频相干”,“宽谱相干”,“脉冲相干合成”等。也难怪周朴的论文测量的所谓相位噪声,全都是10KHz以下的数据,他使用的相干长度300米的单频激光,在一个相干长度结束的时候,就会有10MHz宽度噪声产生。这些是基本的常识。

结论:

“相干合成”在理论依据不足。

三、1.7万瓦单模单纤光纤激光器(以1064nm波长分析)

 A.1.35毫米*毫弧度17千瓦光纤激光的亮度:

是3000瓦CO2轴流激光,16毫米*毫弧度的(17/3)*(16/1.35)2=796

一个单模1000瓦光纤激光,光束质量是1.35毫米*毫弧度左右,亮度是3000瓦CO2激光的(1/3)*(16/1.35)2=46.8

B.在工业加工有这样的事实:

一台200瓦,光束质量64毫米*毫弧度的YAG激光可以切割3毫米钢板,CO2激光500瓦,16毫米*毫弧度,CO2激光的亮度是YAG的:

(500/200)*(64/16)2=40倍,但是切割能力一样。

500瓦CO2激光有效切割3毫米钢板,3000瓦有效切割12毫米钢板,最厚切25毫米。

C.现在反过来了:

近红外光纤激光的亮度是CO2激光的46倍(1000瓦单模光纤激光,),至今没有听说那台IPG的光纤激光切割12毫米厚的钢板经济有效,工业激光占50%以上销售金额还是平板CO2激光切割机。

国内,中国科学院西安光机所报道的他们的1000瓦单模全光纤激光,切割13毫米直径钢柱图(见图一),就证明这台光纤激光器说“单模”就是学术造假,从图片的切缝看,这台光纤激光就是直径400微米、NA0.46光纤输出的光切割的!

按照美国报道的17千瓦单模光纤激光器换算出来的相对CO2激光800多倍亮度,本来就会成为一场激光加工界的深刻革命,就是1000瓦单模光纤激光也是40百倍亮度的显著优势,加上吸收率高,也可以带来工业加工中的一场革命!但是这个没有发生。

D.一个疑问

IPG的千瓦光纤激光器实际上