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      拍瓦量級激光系統運行維護的“科學”姿勢-美國UNL Diocles激光系統

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      拍瓦激光器作為超快激光大家庭中最龐大,最復雜的系統,還遠遠達不到用戶所期待的“Turn-key”水平,目前全球拍瓦激光市場還是被法國兩家公司Amplitude Technologies 和Thales Opotronics壟斷,全球科研市場的繁榮為兩家公司提供了大量的訂單,但也為其商務服務和后續技術支持提出了很大的挑戰。

      單從中國市場來看,目前這兩家公司尚沒有布局完善的售后服務網絡。拒不完全統計,Amplitude Technologies在中國只有1名專門服務于鈦寶石系統的技術人員,尚未聽說Thales有任何長駐中國的鈦寶石系統技術服務人員,這給客戶帶來的極大的不方便,且這種狀況在長期看來應該不會有太大的變化。

      這就意味著,鈦寶石放大系統的用戶在絕大多數情況下要么“漫長且無奈”等待原廠的服務,要么自食其力運行維護該復雜的激光系統。令人欣喜的是,拍瓦激光器所涉及到的技術已經相對成熟,全球范圍內也有不少同行系統可以借鑒,國內也有相應的第三方技術服務公司,相信完全可以“拋棄”制造廠商 。




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      下面筆者給大家介紹美國內布拉斯加大學林肯分校(以下簡稱UNL)Diocles拍瓦激光系統的“自力更生”經驗,希望給國內的同行們提供些許的借鑒。UNL的Diocles激光系統是相對早期的商用啁啾脈沖放大激光系統,該激光系統的課題組長是Donald Umstadter教授,其從密歇根大學跳槽到UNL后,購置了Thales公司的100TW (3J/30fs) 激光系統,隨后添置了4臺共計100J能量的泵浦源,自力更生升級到了1PW, 用于激光尾波場電子加速和基于逆湯普頓散射的超快X-射線研究。



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      和目前大多數激光系統一樣,該實驗室早期也是受夠了激光器廠家“技術服務不給力”的苦,嚴重影響了科研任務的進程,因此建立一支精干的激光隊伍刻不容緩。經過幾年的努力,最終形成了由三名超強激光專業博士(均來自中國),兩名激光工程師(激光??茖W校畢業)和一名電氣工程師(碩士研究生畢業)為核心力量的隊伍,將激光系統運轉地井井有條。激光系統一年時間內的故障發生率低于5%,激光系統工作日服務時間從早10點至晚6點,100TW束線10Hz運行,1PW束線0.1Hz運行。


      這些運行參數對一臺小能量的kHz激光系統微不足道,但是對拍瓦激光系統而言已經是世界領先的指標了。由于激光系統的穩定運行,實驗數據采集充足,科研人員基本無需加班,實驗團隊和激光團隊的關系較為融洽。在此激光系統的支持下,實驗端科學家們在基于逆湯普頓散射的超快X-射線研究領域創造了多項世界紀錄,并在PRL, Nature Photonics等頂尖雜志上發表了多項原創性成果。接下來從幾個方面介紹一下該激光系統的“自力更生”經驗。



      1.激光技術人員待遇較高,編制穩定,積極性高。


      美國科研經費的使用在“人力”上面比較靈活,實驗室技術人員由于受到工業界的壓誘惑較多,因此必須給予較高薪資才可以將其穩定留住。從UNL公開工資數據可查,激光技術人員的稅前工資在5- 6萬美元之間,這足以保證美國中部的小康生活。從編制上,這些技術人員屬于學校的固定編制,比博士后和助理研究員還要穩定。以Diocles的兩位激光工程師為例,是美國一所激光學校??飘厴I,其工作任務是早上7點之前來把激光系統預熱,光路調好,下午2點左右就下班回家釣魚和喝啤酒去了。他們還負責定期維護泵浦源、水冷機,制定激光系統運行的SOP以及定時提醒我們這些“自由散漫”的科研人員注意安全等工作,這就把科研人員從繁瑣的雜事里面解脫出來,特別是那些“不甘心長期做雜事”的激光和物理科研人員。對于門檻較高的拍瓦激光來說,僅有這些中等技術人員是完全不夠的,因為有些高深的激光技術,特別是超快激光技術是他們所不能掌握的,因此需要配備訓練有素的超快激光專業的博士,比如某些難度較高的Trouble shooting, 實驗端的光路設計,激光系統的升級改造等。理想情況下,一臺拍瓦量級激光系統應配備3名以上具有博士學位的專職激光技術人員。


      2.自我研發超快激光系統實現對拍瓦激光維護運行的“反哺”。


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      Diocles激光實驗室除了擁有商業的激光系統外,一直在尋求自主研發激光系統。一是為了改造目前激光系統的設計缺陷,二是為技術人員提供激光技術研發的平臺,也能發paper,為繼續從事科研工作打下基礎。一個拍瓦激光系統人員和項目的管理完全不亞于一個小型的企業,由于大多數工作人員具有博士學位,除了薪資以外,滿足這個群體的事業成就感是一個很重要的課題。比如,大多數博士人員不滿足單純的調節光路,日常維護等工作,因為長期下來職業發展受限,成就感不強。科研性質的激光系統研發滿足了這個群體的職業發展訴求。


      3.對泵浦源進行維護、更新、改造。


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      拍瓦激光系統中最容易出問題的是綠光泵浦源,因為其能量一般較大,容易出現元件損傷等故障。比如,一個小小O型圈老化也會使一臺激光器癱瘓,從而影響整個激光鏈條的運行狀況。Diocles激光系統內一共有19臺綠光泵浦源,一臺備用泵浦源。每一臺的運行數據均記錄在案,定期維護和更好老化器件(主要是O圈和閃光燈),雖然偶有發生損傷事故,總體故障率較低。


      4.系統核心易損傷的元器件有充足的備貨,損傷后迅速更換。


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      拍瓦激光器整個鏈條包含幾千個光學元器件和控制設備,由于是串行設計,每一個出現故障,激光系統將停止運行,因此在科學分析損傷原因并排除隱患后,快速更換被損傷器件將大大提高運行效率。Diocles系統備份了系統所需要所有鏡片、晶體以及光柵,更換后立即啟動訂購程序,保證時刻有備份。當然,激光工程師會第一時間出具損傷報告,留好檔案。


      5.系統耗材常備多個替代廠家,光學器件100%擺脫原廠限制。


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      一般情況下,激光系統用戶會比較依賴激光系統原廠提供的配件,但是如果遇上不給力的廠家,效率低不論,價格一般情況下也會比市場價昂貴很多。Diocles激光實驗室對核心器件一般會尋找2家以上器件供應商,從而擺脫對原廠的限制。


      6.鼓勵技術人員對激光系統拆裝從而積累經驗。


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      復雜的激光系統如果不從頭拆裝一次,就不可能將其真正自主擁有。驗室鼓勵大家“膽大心細”地拆卸該激光系統,拆之前先做好標記以保證復原。從種子源、泵浦源(包括電源)、放大器到壓縮器,技術人員都拆裝了若干次,積累了豐富的經驗。可以很自信的說,Diocles的激光技術人員比廠家的一般技術工程師對該激光系統還要了解深入,長期下來已經不需要與廠商進行太深入交流。


      7.搭建多套提高系統時間和空間質量的控制反饋系統

      對于依賴拍瓦激光的強場物理實驗,峰值功率密度是最重要的指標,因此除了能量要足夠以外,脈寬要窄,信噪比要高,聚焦光斑要小,光斑近場質量要高。商用脈沖整形器和空間自適應光學系統可為提高時空質量保駕護航,Diocles激光實驗室毫不吝惜提高激光質量的投資,

      多套Dazzler和變形鏡系統將時間和空間質量推到了理論極限,這也是實驗可以獲得成功的原因之一。



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      8.實驗儀器自動化控制,提高實驗運行效率

      Diocles激光實驗室配備了具有豐富LabView編程背景的技術人員,將激光參數的測量,實驗儀器的控制集成在一個整體的界面內。實驗人員每采集一次數據,對應的激光參數及其他對應的相關數據同步自動存儲,并在線快速分析,數據采集到文章發表的周期大大降低。


      9.專職項目經理和ERP系統

      以管理公司的方式來管理實驗室是Umstadter教授的成功經驗。他是目前為數不多的在拍瓦激光實驗室中推行ERP系統和專職項目經理的課題組長。ERP系統保證各個項目按照管理學的邏輯科學運轉,具有豐富管理經驗的項目經理負責協調實驗室所有的項目進度,其具有較大的權利來約束實驗室人員遵守規則,但項目經理不參與實際的科研行為。該項目經理最好具有理工科專業背景和商科背景。比如Diocles的項目經理之前是生物和計算機專業畢業,后來拿到了MBA學位。


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      總結下來,一臺拍瓦激光系統要有斗志昂揚的激光技術隊伍,科學合理的管理方式和較大的資金支持才可以高效的運轉。波量科技團隊在鈦寶石拍瓦激光維護運行方面具有十分豐富的經驗,對目前AT和Thales公司的激光系統了如指掌,并可提供拍瓦激光系統整個鏈條所有高質量產品和定制化服務,希望和實驗科學家們攜手譜寫中國拍瓦激光裝置的新篇章!






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