主动锁相光纤放大器相干合成技术研究进展

光纤激光器的相干合成是获得高功率、高亮度激光的有效方法之一.概述了近年来主动锁相光纤放大器相干合成技术的发展状况,主要介绍了目前采用的自适应锁相、外差锁相和自参考锁相三种锁相技术,对其工作原理、技术途径与特点进行了分析和比较,并对构建主动锁相光纤放大器相干合成系统需注意的几点提出建议.     

激光相干合成技术研究新动向

介绍了光纤激光器相干合成技术及其进展，指出了互注入锁相是一种被动锁相的新技术，该技术具有合成效率高、相干度高，容易实现多光纤合成和高亮度输出等特点，是一种有前途的大功率相干合成方法。     

全光纤结构的光纤环被动锁相相干合成研究

提出了全光纤结构的光纤环被动锁相相干合成方案,在自制的光纤放大器基础上,实现了四路光纤激光的全光纤被动锁相相干合成。对合成的开环闭环功率、光谱、远场光斑图样、系统锁相带宽等特性进行了研究。系统开环时,输出功率在71~271mW之间起伏,系统闭环后,输出功率稳定在412mW左右,较开环平均功率提高了2.1倍,说明该方案能够实现有效的相位锁定。系统锁相带宽大于50kHz,具有较好的稳定锁相能力。通过提高各路光纤放大器的功率和采用承受功率更高的合束器,有望获得更高功率的相干合成输出。     

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。     

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。     

角锥腔互注入锁相光纤激光器

提出一种基于角锥互注入锁相的多路光纤激光器相干合成新技术,分析了其锁相原理,设计了基于球面角锥和平面角锥的两种多光束光纤激光器相干合成方案.开展了基于平面角锥互注入锁相的两路光纤激光器的相干合成实验,成功实现了两路独立光纤激光器的注入锁定,观察到波长锁定(中心波长稳定在1085.22 nm)、远场干涉条纹(可见度约0.5)、线宽压缩(44%)和功率合成效率大于1(120%)等现象,获得了超过2.4 W的相干合成激光输出.在两路光纤激光器不同功率比例注入条件下,研究了波长漂移的规律,得到了波长漂移量与注入功率成反比的定性规律.     

线阵光纤激光相干合成角度扫描控制方法研究

基于光的干涉理论,对多芯线阵光纤激光通过相干合成进行角度扫描的原理进行了研究。利用相干合成模型,用MATLAB分别对信号无噪声与含有随机相位噪声时的合成效果进行了数值仿真计算,分析了通过主动相位控制对合成光进行角度扫描的可行性;基于MOPA结构光纤激光线列搭建了相干合成角度扫描控制系统。通过实验验证了在多路光纤激光完成锁相后,若依次等比改变各芯激光的相位可以实现主极大条纹连续的角度扫描,扫描范围与模型中计算所得结果基本一致,实验结果与理论计算相符。该方法的探索研究对线列光纤激光的相干合成应用拓展有一定的指导意义。     

基于光纤拉伸器锁相实现两路超快激光相干偏振合成EI北大核心CSCD

超快光纤激光相干合成技术是突破飞秒激光单根光纤功率提升受限的有效技术手段。基于光纤拉伸器锁相,并结合随机并行梯度下降(SPGD)算法,成功实现了两路超快激光相干偏振合成。该锁相方案不仅避免了采用常规电光相位调制器对脉冲信号造成的光谱调制,而且可有效降低系统的插入损耗,提高相位调制范围、耐受功率以及前级光源系统的紧凑性与鲁棒性。合成的最高功率为10.9 W,最高功率下合成效率为90.1%,闭环状态下锁相残差为λ/31。实验结果表明,采用光纤拉伸器和SPGD算法组成的相位控制系统,在超快激光相干合成领域具有较强的发展潜力。合成的脉冲在最高功率下可压缩至494 fs,压缩效率为73.3%,对应的单脉冲能量为3.99μJ。     

双端输出光纤激光器互注入锁相研究

为了获得高功率、高光束质量相干光纤激光输出,设计了一种双端输出的光纤激光器。两路光纤激光器尾端通过反射率为85%的光纤布拉格光栅连接,有一定的相互关联,利用角锥反射器使其能量相互注入,实现锁相,并利用偏振片分光,实现相干合成输出。实验上,在远场得到了清晰稳定的干涉条纹(可见度约为0.92),获得了8.6 W的相干合成激光输出,对应的功率合成效率约为90%。实验结果表明,该方案结构简单,稳定性好,相干度高,并可用于多路激光相干合成,为实现高功率光纤激光相干合成输出提供了一种新的思路。     

相互注入式光纤激光器耦合阵列相干合成技术进展

针对主动式相干合成技术的相位存在实时控制难度大、不容易拓展等限制,研究了被动式相干合成技术。介绍和讨论了被动式相干合成技术的一个分支——相互注入式光纤激光器耦合阵列相干合成,重点介绍了该技术的最新发展,对具有代表性的研究方案进行了分析和对比,并提出了改进方法。进而利用噪声理论模型来研究相互注入式光纤激光器阵列的被动锁相机理,通过单元激光器噪声的随机过程进行建模,验证了各种因素对噪声的影响,并利用统计知识计算了系统噪声的随机过程,对系统的拓展性进行了预测。     

机载软杀伤光源光纤激光组束方法的选择

简单介绍了光纤激光相干和非相干组束方法,理论上分析了非相干和相干组束的光纤个数.结果表明,非相干组束方法可以实现几百根光纤激光的合成,组束功率可以达到10kW量级,而相干组束方法只能实现大约10根光纤激光的合成.显然,非相干组束方法是实现机载软杀伤激光光源的理想选择.     

光纤激光非相干合成效果分析

为了研究光纤激光的非相干合成特性, 建立了圆环状排布的光纤激光阵列光束合成模型, 模拟分析了单元光束束腰半径w₀、波前畸变和光束间距对非相干及相干合成远场光束质量的影响。讨论了多路激光平行性对非相干合成效果的影响, 并进行了相关实验验证。结果表明, 单元光束无波前畸变时, 当光束间距为d₀=2.8w₀时, 非相干与相干合成光束质量相等; 单元光束存在波前畸变时, 光束间距有所减小, 这是因为波前畸变对非相干合成影响更小; 对于非相干合成, 随着多路激光之间不平行度的增大, 非相干合成光束质量逐渐变差, 并且单元光束质量越好, 对多路激光平行性要求越高。该研究可为实际光纤激光合成系统设计分析提供参考。     

双光束光纤激光器相干合成仿真及实验研究

为了研究光纤激光器相干合成,采用光纤激光的相干合成数学模型仿真了双光束光纤激光相干合成的方法,模拟仿真了各类因素条件下高斯光束相干合成的功率分布,分析了不同参量条件下对合成效果的影响,并针对部分仿真结果进行了实验研究。结果表明,双光纤激光空间距离为0mm,光束夹角为0°,偏振方向完全一致时,则相干合成效果最好。     

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。     

圆环阵列多芯双包层激光相干合束的研究

由于受到纤芯面积、非线性效应等因素的限制,单芯光纤激光器的输出功率极限值为千瓦级.欲获得上百千瓦和兆瓦级的输出功率,必须借助合束技术.多芯双包层光纤激光相干合束法以其实验装置简单、自组织相干不需外界调制、泵浦光耦合效率高、纤芯阵列排列灵活等特点成为相干组束技术中一种比较有前途的方案.基于衍射理论推导出多芯双包层光纤激光器的远场相干光光强理论模型,在此基础之上,分析了纤芯数目、相邻纤芯轴间距离、纤芯直径、波长对合束的影响.分析结果表明:通过增加纤芯数目、减小纤芯间距离、在保证单模特性的前提下增大纤芯芯径可以有效提高合束效果.研究结果为优化相干合束方案、研制出高性能的多芯合束双包层光纤提供了参考.     

被动锁相光纤激光相干组束的研究进展

被动锁相光纤激光相干组束是实现大功率、高质量光纤激光输出的有效手段之一。介绍了外腔法、全光纤自组织法、倏逝波耦合以及相位共轭法四种组束方案的原理,综述了被动锁相光纤激光相干组束技术的研究进展,分析了四种组束方案的发展前景。     

多芯光子晶体光纤的相干组束集成

高功率光纤激光器的广泛应用前景使其成为固体激光器的研究新热点,但是由于受到受激布里渊散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS）的影响,严重限制了单根光纤的最大输出功率,与此同时随着输出功率的增加带来了光束质量变差的问题。光纤激光并联组束的方法因其光束质量差,也在其应用上受到诸多限制,而基于倏逝波耦合的多路激光束相干叠加实现的相干组束技术则能使输出功率得以提高的同时保证好的光束质量。基于上述的问题,文中设计出解决方案并理论计算对比了一芯、三芯、七芯的光子晶体光纤光强分布情况,证明集成式多芯光子晶体光纤可以很好地实现相干组束输出,这为实现光纤激光器高功率和高光束质量输出提供新的可能途径。     

光纤激光器及其相干组束

简述了光纤激光器的发展历史，重点介绍了双包层光纤激光器的进展并给出了高功率双包层光纤激光器的最新研究结果。评述了目前国内外高亮度激光的关键技术：光纤激光器的相干组束。介绍了几种典型的相干组束技术并分析了其工作原理。最后给出了相干组束研究的最新结果。     

二维激光相干组束系统光束质量的评价与测量

以光束质量(BQ)作为二维激光相干组束系统输出激光光束质量的评价因子,对相干组束系统的光束质量进行了实验研究.利用光反馈环形腔被动相位锁定技术,搭建了二维4路光纤激光相干组束的实验平台,实现了4路光纤激光的相干组束.当选取理想光束口径为近场子光束外切圆直径时,以圆形平顶光束或高斯光束作为理想光束模型,对应不同的远场光斑...     

Imposing a Gaussian distribution in multichannel laser resonators

Intracavity coherent addition of several laser channel distributions where one is a Gaussian distribution and the others are multimode distributions is investigated. It is shown experimentally that the Gaussian distribution is inherently imposed on all the channels. A model for analyzing coherent addition of two or four beams is developed and used to support the experimental results.