单频光纤放大器中泵浦作用的相位噪声

研究了铒镱共掺单频光纤放大器中100 Hz～1 kHz频段内的相位噪声,并通过实验证明该尖峰噪声为泵浦电源产生的相位噪声。从铒镱共掺光纤放大器的功率传输方程出发、结合泵浦激光的热传递函数,数值分析了泵浦功率、泵浦波长、增益光纤长度对100 Hz～1 kHz频段内相位噪声的影响。通过二级光放大结构对输出激光的相位噪声进行测量,并将实验结果与数值仿真结果进行对比,证明了理论模型的可靠性。该研究优化了主谐振功率放大结构铒镱共掺单频光纤放大器的相位噪声特性、并为提高相干合成时的合束效率提供指导。以上所得结果普遍适用于主谐振功率放大结构的光纤放大器。     

多路光纤激光相干偏振合成技术研究

进行了多路光纤激光相干偏振合成理论和实验研究。基于主动锁相技术实现了4路光纤激光的相位锁定和相干偏振合成输出,合成效率达84.9%,验证了偏振合成向多路多模块发展的可行性,并提出了拓展方案。     

自成像共焦腔一维光纤激光阵列相干合成的实验研究

利用自成像共焦腔,开展了一维光纤激光阵列相干合成的实验研究,实现了掺Yb3+双包层光纤激光阵列的相位锁定,得到了基于一维光纤激光阵列自成像共焦腔的远场强度分布图样。根据其数学模型及理论计算,合理选择了空间滤波器宽度,验证了空间滤波器在合成激光不同位置对不同相干成分模式所引入的损耗抑制作用,从实验上证实了空间滤波器在相干合成中实现模式选择的机理。     

主动相位控制光纤激光相干合成的研究

介绍了三种主动相位控制光纤激光相干合成方案,并分别利用这三种方案实现了3路瓦量级光纤放大器的相干合成.根据理论分析和实验研究的结果,对三种方案各自的优缺点进行了比较分析.对光纤激光相干合成在工程实际中面临的一些共性因素的影响进行了简单讨论.     

激光相干合成的研究进展

基于相干合成的新型高能激光体系结构是高能激光技术发展的重要方向.报道利用主动相位控制和自组织相干实现多路光纤放大器以及光纤-板条混合放大链路相干合成的最新实验结果.     

基于平面光波导注入锁定技术的分布式反馈激光器阵列相干合束光源

面向芯片化空间激光通信、激光雷达等应用对高功率激光光源的需求，笔者将注入锁定到同一种子光的分布式反馈激光器（DFB激光器）阵列通过平面波导耦合器进行相干合束，解决了单个DFB激光器功率受限的问题。为了研究基于注入锁定技术的DFB激光器阵列的相干合束效果，测量了不同数目的注入锁定激光器在相干合束前后的光功率、相位噪声、相对强度噪声，通过计算得到2、3、4个DFB激光器的合束效率分别为91.6%、87.8%、78.3%，实现了相对于单个激光器的光功率放大，同时通过理论分析和实验研究了相干合束对相位噪声及相对强度噪声的影响。     

光纤放大器热效应引起的相位噪声理论分析

光纤放大器相位噪声的探测和校正是光纤激光器阵列相干合成的关键技术，热效应是引起光纤放大器相位噪声的主要来源。理论分析了泵浦光开启到稳态过程中光纤放大器掺杂光纤的温度变化，以及对应的光纤放大器相位变化。通过数值计算发现，泵浦光在开启后，光纤放大器的掺杂光纤温度迅速升高，相位变化剧烈，在约10 s后达到稳态，此后泵浦光的能量不稳定。这表明，泵浦光的能量不稳定是引起光纤放大器相位噪声的最主要因素，通过稳定泵浦光电流可以降低光纤放大器的相位噪声。     

基于相干合成的可调全光纤脉冲激光源

基于光束相干合成的原理,提出了脉冲激光产生的新方法,设计并构造了相应的全光纤实验系统.该方法通过对光纤耦合器中相干合成的两束相干光的相位差进行有效地控制,实现重复频率、脉宽、占空比均可调的脉冲激光输出.实验中利用闭环工作点控制法进行噪声相位补偿,以得到稳定的脉冲光输出.实验分别利用矩形波、三角波、正弦波进行相位调制,得到了相应波形的激光输出;利用不同参量矩形波进行相位调制,可以得到重复频率从1～500 kHz,占空比从20%～80%可调的脉冲光输出,在重复频率为500 kHz时,脉宽可达300 ns.这种脉冲激光产生技术为大功率、可调脉冲激光的产生提供了一种新的途径.     

线阵光纤阵列相干合成光束的远场光功率分布

激光相干合成所得光束的远场能量分布直接影响其实际应用。针对基于四芯线阵光纤阵列的激光相干合成研究了远场能量分布。采用高斯分布函数近似描述单模光纤出射光束能量分布,推导合成光束的远场能量分布的一般表达式,用MATLAB进行数值计算,并搭建实际相干合成系统进行测试以验证计算结果。研究结果表明:四芯线性光纤阵列的相干合成光束能量近似高斯分布,横向截面内表现为两两组合所形成的三种周期六种干涉场的叠加。实验结果与理论计算吻合,研究对光纤阵列相干合成光束的远场应用具有指导意义。     

光纤激光相干合成中的相位控制方法与实验

相位控制技术是光纤激光相干合成技术中的关键技术。主要开展了爬山和外差两种相位控制方法研究。爬山法是根据探测合成光强变化,软件自动寻优补偿相位偏差而获得稳定的最大干涉光强输出。外差法则是利用外差探测得到合成光束间的相位变化从而进行实时校正使各光束相位一致。在七阵元光纤列阵相干合成实验系统中,两种方法均实现了对七路光纤光束的相位控制,获得Streh1为0.91的远场相干合成结果。同时也实现了对10 W光纤放大器的相位控制,获得优于λ/10的相位控制精度,对多路大功率激光放大器相干合成具有一定的参考价值。     

激光相干合成的研究进展:2011—2020

本文回顾了过去10年激光相干合成领域取得的重要进展,总结了可合成激光模块性能提升的标志性成果,梳理了相干合成使能技术取得的重要突破,展示了不同类型激光相干合成取得的成果及其多样化应用,并对激光相干合成领域的发展进行了展望。     

2×2全光纤激光器阵列部分相干合成的实验研究

对22全光纤激光器阵列的部分相干合成进行了实验研究。将四台全光纤激光器阵列分为两组,组内两光纤激光器通过一个对激光波长具有一定反射率的光纤光栅实现腔模互注入相位锁定,而两组激光阵列元之间非相干。四束激光经一个四面直角棱镜反射后尽量接近并实现对称排布。获得两组清晰的干涉条纹, 条纹最大可见度分别约为43 %和38 %。整个激光器阵列在泵浦光总功率为1 624 W时获得925 W高功率部分相干输出。在合成光束占空比为0.54时, 合成光束的光束质量BQ值约为1.95。激光器阵列由全光纤元件组成, 系统结构紧凑, 在长时间的高功率合成实验中, 性能稳定, 没有观察到光热损伤现象。     

光纤激光器的相干输出

研究了两路光纤激光的相位锁定和相干输出, 用融锥光纤耦合器实现了两路高掺铒光纤激光之间的相互耦合。提出了在激光器高反射率前腔镜的前面加融锥光纤耦合器的方法构成简单的共振腔, 从而实现两路光纤激光的相干叠加。开展了基于融锥光纤耦合器互注入锁相的两路光纤激光器的相干合成实验, 成功实现了两路光纤激光器的注入锁定, 观察到了波长锁定（中心波长稳定在1549.8 nm, 线宽为0.08 nm）、远场干涉条纹和线宽压缩现象。分析了单个激光器和激光器阵列的斜率效率, 当反射率为70%, 抽运功率均为145 mW时, 获得最大合成功率为127 mW。     

孔径填充——光纤激光阵列相干合成中的关键技术

光纤激光相干合成能够获得高功率、高光束质量的光束输出。目前国内对于相干合成技术的研究集中于各路激光的相位控制,即光束如何相干。而相干光束的合成,即如何提高相干激光阵列的填充因子,作为影响相干合成光束质量的一个重要因素,则较少受到关注。为了保证相干合成激光的光束质量,需辅以相应的孔径填充技术尽可能增大激光阵列的填充因子。跟踪国外近年来发展的孔径填充技术,如幅相转换、自成像波导、光束整形、衍射光学法、光束截断法等,并对每一种技术加以分析和评判。结果表明,光束截断法不需要复杂的光学设计,实施起来最为简单有效,有可能最终用于多路大功率光纤激光的合成。     

光纤激光相干合成中倾斜和锁相同时控制的实验研究

光纤激光的相干合成是获得高能量密度、高光束质量激光输出的有效方法之一。在相干合成中,各个单元光束的倾斜波前畸变和活塞相位误差对合成的效果具有重要影响。搭建了两路光纤激光相干合成系统,利用光纤自适应准直器和相位调制器对相干合成中倾斜波前畸变和活塞相位误差进行校正。实验系统以高速相机采集的光斑数据作为评价依据,通过计算机程序进行控制,控制算法为随机并行梯度下降算法。在倾斜和锁相控制前,合成光斑的条纹对比度为0.03,桶中功率为8.03;在倾斜和锁相控制后,合成光斑的条纹对比度达到了0.59,桶中功率达到了32.89,说明实验中倾斜和锁相控制显著提高了相干合成的效果。     

角锥互注入锁相光纤激光器相干合成技术研究

提出角锥作为相干合成元件实现互注入锁相获得相干合成输出的方案。对比分析了采用4种锁相结构进行两路光纤激光器相干合成的结果,并报道了4路光纤激光相干合成的最新实验结果。     

公里级湍流大气环境下光纤激光高效相干合成

光纤激光阵列光束相干合成可在提升输出激光总功率的同时保持良好的光束质量,进而提升激光亮度,是激光技术领域的研究热点。目前光纤激光相干合成实验已在实验室内获得了大量、良好的验证,然而在真实湍流大气环境下的长距离传输实验却开展较少,相干合成技术对湍流大气引入的相位畸变的校正能力尚需实验验证。目标在回路技术是实现长距离湍流大气环境下阵列光束到靶相干合成的重要方案,是近年来国际上的重点研究方向。基于自适应光纤准直器阵列和共形发射系统,搭建了6路光纤激光目标在回路相干合成系统,成功校正了湍流大气带来的相位畸变,实现了公里级作用距离、湍流大气环境下阵列光束在目标表面的相干合成。     

基于光学零差偏振探测和锁相的合束激光偏振控制

激光偏振合束是提升窄线宽光纤激光亮度的重要技术,能实现多路激光的共孔径合束输出,同时维持较高的光束质量和线偏振态。文中探索和研究了基于线性锁相技术的合束激光偏振控制系统,详细分析和建立了光零差偏振检测物理模型和线性锁相控制环路的数学模型。利用高精度的光零差技术对合束激光的偏振相位进行检测,并通过快速实时反馈进行激光锁相,获得了输出功率为279 mW的线偏振态激光。锁相控制后,合束激光的偏振消光比达到19.3 dB,控制带宽高达39.6 kHz,剩余相位噪声为710-4 rad/Hz（1 Hz）和310-4 rad/Hz。当提高激光输出总功率达1 W时,偏振消光比维持在~15 dB,其限制因素在于光功率波动引入的相位噪声和光斑空间模式不匹配。     

基于光纤自适应操控的激光相控阵技术研究进展(特邀)

当前,基于多光束相干合成的激光相控阵技术面临着实际湍流环境下远距离传输的应用需求和挑战,需同时校正系统内部光源噪声和外部动态湍流像差,并解决远距离传输光延迟和系统规模增大导致的有效带宽急剧下降的问题。现有的技术手段如目标在回路技术和延迟SPGD算法无法应对湍流带来的动态倾斜像差,而这一点对在远场目标处获得高质量相干合成光束至关重要。文中介绍了中国科学院光电技术研究所在多孔径激光传输控制技术上的最新研究进展,新技术实现了对光纤阵列激光出射光束倾斜像差的并行和高效校正,并提出了基于主动波前测量的光纤激光阵列外部像差预补偿校正的方法,为光纤激光相控阵技术的实际大气传输应用打下基础。     

利用外差法对激光相干合成技术中相位的研究与实现

系统采用并联主振荡-功率放大的相干合成方案,实现光纤激光器的相干合成.外差法是通过实时探测和校正光路中相位的变化,从而使整个系统达到锁相输出的目的.主振荡激光器的波长为1064 nm,输出功率0-100 mW连续可调,光纤相位调制器采用铌酸锂相位调制器.声光移频器的移频量为70 MHz,精度可优于/λ20,相干合成效率≥80%,整个光路为全保偏光路.相位调制器实时控制2路信号的相位差,从而实现整个实验系统的相干合成输出.系统实现闭环控制后,2路光纤放大器的相位差为2π的整数倍,输出光强始终保持最强.该相干合成方案简单易行,性能稳定.