给科学院学部的公开信——批驳刘泽金教授在学部讲台上的学术演讲（草稿）

optro

“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
4．1 “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倍。
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倍。
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根本没有达到单模和超越CO2激光器的光束质量，刘泽金教授等开发出单模光纤激光器的单位，为什么不去用这样的激光创造激光加工的奇迹？科学院学部是不是应该重视这件事件？这个事件中包含了什么“科学秘密”？
四、脉冲光纤激光器
根据刘教授在科学院学部庙堂上的演讲，脉宽4纳秒，重频8MHz，输出功率1000瓦。
A．单脉冲能量0.125毫焦，平均功率31.25千瓦（峰值更高），直径20微米光纤峰值功率密度1010瓦/平方厘米，10GW/平方厘米。
这样足以使直径20微米“纤芯”断裂。Yb对975nm泵光产生强力的双光子吸收，发出刺眼的蓝光，如果把这些可见光滤掉，用红外镜，观察光纤，就会看到光纤一段段的闪烁亮点，这就是芯在这里断了。
2000年前后，安光所王佩林研究员告诉我他将声光调Q激光耦合进光纤光纤断了；2003年10所唐纯的学生在做光纤激光的时候，把光纤搞断了，这个现象很特殊，纤断了，涂敷层没有断。他们当时不具将LD耦合进光纤的能力，他们有很好的电光调Q固体激光器，当这种激光器进入光纤，不是平均功率不具备烧毁光纤能力，但足以使光纤炸裂。今年在网上我和一群所谓的“光纤激光专家”发生过论战，有一位要将声光调Q激光注入600微米光纤，这个注入不难，就是光纤是否承担的起这个峰值功率密度，最后是以光纤断裂结束争论。
B．“4纳秒单频脉冲激光”
这台激光器的脉冲波列1.2米。就是单频，相干长度也就1米左右，所以这样的脉冲光纤激光器是没有实现相干合成的可能的。
五、相位锁定偏振合束
在提出质疑之前先感谢中国科学院物理所张春霖研究员，帮组我搞懂了偏振合成的一些基本问题。
A．哪里来的保偏百瓦光纤激光器？
B．假设有了保偏的光纤激光器，相干长度的限制能“偏振合束”几次？
“偏振合束”前提是两束光首先要实现相位锁定，前面已经讨论过，100瓦MOPA单频光纤激光（假设成立），相干长度300毫米，这100瓦激光经过M级放大，光纤40米以上，光程80米；测量空间光路10米，如果扫描几个波长长度，执行机构时间是MHz，这样就一个测量过程就是一个相干长度，又如何去控制偏振合束的相位？即使控制了，在一个相干长度范围内，锁定的长度低于50%，只能做一次偏振合成，如果是2/3相干长度，第二次偏正合成的时候，偏振合成时间就小于1/2，第三次就没有可能，这些也仅仅是理想状态。
C．强力要求科学院学部、国防科大组织专家核对这些实验，如果成功的的确意义非凡。
六、“随机并行阶梯下降法”非单频相干合成
详细见：“光纤激光相干合成”辩论之三。
七、近1000瓦完全国产化单频光纤激光器质疑
完全国产化首先就是半导体激光耦合必须国产化，这样直径200微米，NA0.22光纤输出功率要达200瓦，这些有哪个单位敢说他们做到完全国产化了，现在科学院的研究所有人把从国外进口的LD光纤模块直接当成成果鉴定，这种风气是否越演越烈？可悲的是他们连国外这种器件的原理没有理解，在写得技术总结中，出现了原理上的错误。
强力要求科学院院部澄清这个疑问。
八、国内从事近10年光纤激光的研究，1000瓦光纤是单模吗？全光纤激光有理论缺陷吗？MOPA是不是一个“科学的笑话”( 详细见 “光纤激光相干合成”辩论之四)

JasonHan

草稿纸

“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。”
这个以前貌似有人（无知无畏）和您讨论过，被动系统时这样，但相干合成以后亮度是会提高的。
其实有必要统一一下概念，感觉不是在说一回事。
光纤激光器现在到处都在用，对于搞工程的人来说实用，好用就是王道。不能因为效率不是100%就不搞了，那干脆不吃不喝，这样熵就不增了。

Nd:YAG

老先生寄错地方了，这不是中科院……

无知无畏

Optro先生：

我知道您纠结掺镱光纤蓝光的问题已经很久，就正式给您回答一下，一方面给您解惑，另一方面目的是不要误导了其他的人。

“四、脉冲光纤激光器
根据刘教授在科学院学部庙堂上的演讲，脉宽4纳秒，重频8MHz，输出功率1000瓦。
A．单脉冲能量0.125毫焦，平均功率31.25千瓦（峰值更高），直径20微米光纤峰值功率密度1010瓦/平方厘米，10GW/平方厘米。
这样足以使直径20微米“纤芯”断裂。Yb对975nm泵光产生强力的双光子吸收，发出刺眼的蓝光，如果把这些可见光滤掉，用红外镜，观察光纤，就会看到光纤一段段的闪烁亮点，这就是芯在这里断了。”

您这一段还需要重新加工一下，脉宽4ns，平均功率1000W，8MHz的重复频率，脉冲峰值功率不过略高于30kW，没什么可怕，这不是平均功率，而是脉冲的峰值功率，您还是把最简单的计算公式先弄清楚了比较好。

现在我来告诉您发蓝光的机理好吗？先告诉您一个概念，掺镱光纤不存在双光子吸收这个概念，真正的概念叫做Cooperative Emission （合作发射）或者Cooperative Luminescence（合作荧光），简单理解可以是这样：两个YbO3上能级光子泯灭，产生一个更高频率的光子，这和双光子吸收的效应并不同，在各种基材的掺镱玻璃中都有所发现。

如果您想换个思路理解也可以，比较一下掺镱光纤的近红外波段的荧光谱，再比较一下微弱的可见光波段的荧光谱，可以看出端倪。

掺镱光纤产生蓝光到绿光的本质原因还是和镱离子的团簇聚集（Clustering）产生的淬灭（Quenching）有关，或者说和镱离子的掺杂浓度有关。我给您放两张图，您可就可以明白了掺镱光纤在工作时究竟是发出什么样的可见光。这和掺镱光纤纤芯断裂无关，您懂吗？

disklaser

通过楼上无知无畏的详细分析，我看清楚了：Optro 再一次使用了他的低劣手段：给别人的结果捏造一个数据，然后恶意攻击。这招好像以前不止一次地被使用。如另一个帖子所言：技术论坛支持理性讨论，如果是恶意攻击，给自己留下的将是将来被绳之以法的铁证。

还有，无知无畏，我佩服你，你的讲解很到位！

珍惜生命，远离杜普。

弥勒

op的帖子有点长，看不了这么多。关于这个相干合束，其实还不至于讨论的那么深。只需要公布一下，刘教授所做的相干合束，实现多少束光的合束，合束后功率密度增加了多少。相干合束效果维持了多远距离。最后，最重要的达到什么效果，实现了什么应用。其实那些相干合束效果只不过是中场光斑图，真正的远场是可能不是那样的。毕竟合束和单束还是有很大区别的。

无知无畏

按照承诺，给Optro先生提供几个荧光谱图，解释为什么掺镱光纤工作时发出蓝光到绿光，了却他老人家无法弄清楚的遗憾。
光纤基础知识部分（节选）-Cooperative Emission [兼容模式].pdf (157.81 KB, 下载次数: 37)

2012-12-10 15:08 上传

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光粒网-Kelly

roczhang1979200

呵呵，现在还认为光纤激光器不能做打标机的高人，发如此高论，真是
还需要麻烦无知无畏给他普及普及工业用光纤激光器的知识。

optro

刘泽金教授说：
1000瓦脉冲光纤激光器，脉宽4nm，频率8MHz；
推出单个脉冲峰值功率31千瓦，在直径20微米光纤中发出，峰值功率密度10exp(10)/平方厘米，这个强度，多少光纤承受的起？
31千瓦峰值在脉冲激光中没有什么关系，但在20微米直径光纤中发出就是一个天量，10的10次方瓦！

optro

弥勒 发表于 2012-12-10 13:48
op的帖子有点长，看不了这么多。关于这个相干合束，其实还不至于讨论的那么深。只需要公布一下，刘教授所做 ...

我们第一部这样分析
相干合成我们假设他真的实现了，比如19束光相干合成的，那么它在十公里处，19束光纤激光会聚成一个圆形，直径为A。但是，“相干合成”在10公里外，会聚的光斑直径只有在1000毫米的时候，才有可能实现19束光相交，只有相交了才有可能实现相干。

但是一束光纤激光我用一个直径1500毫米的镜头，在10公里处会聚光斑直径才9毫米。这样即使19束光相干了，光功率变成20*20，增加了400倍，但是直径1000毫米的面积是9毫米的10000倍。

这样相干合成就没有意义了。