光纤激光器的相干合成技术

光纤激光器合成技术作为有望突破单根光纤激光器输出功率限制的方案之一而备受关注,发展非常迅速.利用相同数量的激光器,相干合成理论上能够得到更高的轴上光场强度,更集中的远场能量分布,从而得到广泛关注.文中从4个方面对光纤激光器的相干合成技术进行了介绍:自组织相干合成技术、外腔选模相干合成技术、相位实时控制相干合成技术和SBS相干合成技术.详细介绍每一种方案的发展现状和实验进展,并讨论了各方案的可扩展性.最后,对光纤激光器相干合成技术发展的相关问题进行了简要的探讨.     

掺铒光纤长度差对全光纤激光相干合成的影响

设计了由两支光纤激光器组成的迈克尔逊型全光纤激光器阵列,通过实验,分析两子光纤激光器的掺铒光纤长度差对激光相干合成稳定性、泵浦效率以及输出功率的影响.结果表明:在未达到增益饱和的情况下,掺铒光纤长度差变化时,全光纤激光器阵列仍得到相干合成输出,但相干度发生变化,即掺铒光纤长度差变大时,相干度变差,总泵浦效率和总输出功率都变小,且变化不是线性的.     

阵列光束的偏振方向对其相干合成远场光强分布的影响

理论推导了线偏振光纤激光器阵列相干合成远场光强分布的表达式,详细研究了激光器的偏振方向对相干合成远场图样分布、中心主瓣的角宽度以及相干合成远场条纹可见度的影响.阵列光束偏振方向的不一致会使相干合成远场光强的峰值功率下降,中心主瓣的宽度增加,远场光强分布有本底漂移,远场条纹可见度下降.     

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.     

光纤激光器相干合成系统中组束误差对远场光场的影响

对光纤激光器相干合成系统中组束误差对远场光场分布的影响进行了数值研究,分析了输出单元占空比、位置误差和平行度误差对远场光场分布的影响。结果表明,输出单元占空比的增加只能提高中心光斑的能量,但无法改变中心光斑的平均光强;而位置误差会使远场光场中的旁瓣能量减弱,降低光纤激光器相干合成系统的转换效率。分析发现,位置误差的这种影响可以通过增加输出单元的占空比来减弱。最后,通过分析平行度误差对远场光场的影响,对光纤激光器相干合成系统中的平行度误差控制提出了建议。     

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.     

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。     

国外新型电驱动高能激光技术现状与发展趋势

主要讨论了国外平面波导激光器、固体薄片激光器、浸入式液冷固体激光器、碱金属蒸汽激光器、相干合成光纤激光器等新型电驱动高能激光光源的技术发展现状、关键技术以及未来作为激光武器应用的潜力。它们至少在原理上可以解决当前高能固体激光或光纤激光面临的一些难题,但因为某些缺点或者面临一些待解决技术问题,使其输出功率、光束质量或体积、重量等指标暂时达不到典型高能固体激光或光纤激光的水平。详细讨论了这些新型电驱动高能激光的优缺点,并对其技术发展前景进行初步分析判断。     

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。     

高能光纤激光器光束合成技术

高能光纤激光器光束合成技术是近年来高能激光器尤其是定向能源应用中的研究热点,可突破单根单模光纤激光的输出功率限制,为高功率高光束质量的激光武器应用奠定了理论基础。介绍了光纤激光非相干合成和相干合成的国内外研究现状,给出了非相干合成技术中光束重叠和光谱合成的基本合成原理,重点介绍了国内外多家研究机构光谱合成近年来所达到的技术水平;介绍了国内外相干合成技术的最新研究进展,对相干合成等效大口径激光阵列输出中几种不同的透射式相干合成阵列输出和反射式相干合成阵列输出的关键合成装置,以及相干合成单一孔径输出中的核心光学元件进行详细分析。最后简要对比了高能光纤激光器光束相干合成技术和非相干合成技术的优缺点和应用范围。     

自适应光学对星地相干激光通信性能改善研究

相干激光通信能够实现每秒数百吉比特的通信速率和接近量子极限的灵敏度,在未来天地一体化信息网络中具有广泛的应用前景。大气湍流引入的光学波前畸变是影响星地相干激光通信链路性能的重要因素。本文将自适应光学技术应用于大口径光学地面接收站,并系统地开展了4 Gbps高速相干激光通信试验,试验结果表明,自适应光学技术能够有效抑制中等大气湍流的影响,并提高相干激光通信的灵敏度和稳定性。     

大气信道下窄线宽激光器对相干通信系统性能影响研究

在空间下行相干激光通信系统中,激光器的线宽大小会影响通信系统的性能,而窄线宽激光器能有效降低激光器线宽引起的激光器相位噪声,目前已经成为相干激光通信系统的首选。光信号在大气信道传输时,大气湍流会引起光信号强度和相位的波动,从而进一步影响系统的通信性能。针对上述问题,基于四相移键控(Quadri Phase Shift Keying, QPSK)通信系统的工作原理,进一步考虑窄线宽激光器线宽和大气湍流引起的光信号强度和相位的波动,给出了空间下行QPSK通信系统误码率模型。并基于该模型,数值仿真分析了窄线宽激光器对空间下行相干激光通信系统性能的影响。结果表明：大气湍流不仅严重影响系统性能,也会弱化激光器线宽对系统性能的影响。而对于大气湍流影响而言,其引起的相位波动要大于光强波动的影响。此外,随着通信速率增大,激光器线宽对于系统性能影响也会随之降低。文中对于空间下行相干激光通信系统的优化设计和调试具有一定的实际参考意义。     

Improved long distance range-gated laser imaging system

The existing laser remote range-gated imaging system in China is large, expensive and impractical. To achieve long distance imaging, the high-power laser, high-power laser pulse drive, optical system and field synchronisation control are improved in this paper. The improved system is lightweight, easy to use and has a small volume. Experimental results show that the system can clearly map the target at 6 km far away and has a good adaptive adjustment function.     

Power and spatial mode measurements of sideband generated,spatially filtered, submillimeter radiation

The first coherent measurement of submillimeter-wave sideband generator (SBG) output power is reported here. This SBG utilizes a submillimeter laser, microwave synthesizer, and high frequency Schottky diode to produce tunable radiation. Record efficiency and output power (10.5 μW) at a drive frequency of 1.6 THz has been obtained, and SBG radiation was efficiently separated from the laser driver with Si etalons. The power measurements were made using a dual CO₂-submillimeter laser system and two Schottky diodes, one as the sideband generator and one as the receiver. The SBG efficiency of four different models of University of Virginia (UVa) diodes were studied and the first measurement of the output mode of the sideband (without the unshifted laser present) was also performed. Finally, confirmation of the optimal parameters for coupling a Gaussian beam into a corner-reflector mounted Schottky diode is presented     

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。     

水声相干通信信道均衡实验研究

在水声相干通信中,自适应均衡是克服信道码间干扰的有效方法。为了检验所设计的水声相干通信数据处理方法的正确性及作者所提出的一种变步长低计算量自适应均衡算法在实际应用中的性能,进行了水下通信实验。对实验数据的处理结果表明,常用的Ts/2分数间隔均衡效果不理想,采用Ts/4分数间隔均衡时性能有很大提高并获得了零误码。通过与传统算法进行性能对比得出,该算法在初始步长取值变化时具有很好的收敛性能且计算量较低,性能优于传统算法。     

铁路信号的激光器驱动电源集中监控

为了提高铁路激光器驱动电源监控信号自动识别能力,实现铁路信号的激光器驱动电源集中监控,提出一种基于铁路信号激光器驱动电源集中监控方法。采用传感器进行铁路信号电源集中监控信息采集,对采集的信号模型采用空间阵列分布式设计方法进行空间信源模型构建,对采集的铁路信号采用相干检测法进行滤波检测,提取铁路信号功率谱密度特征,采用小波分析方法进行铁路激光器驱动电源监控信号的多元尺度分解,实现铁路激光器驱动电源信号的自动检测和集中监控。仿真结果表明,采用该方法进行的铁路信号激光器驱动电源集中监控能力较强,误码率低于10-1,下降幅度较大且迅速,信号传输延迟缩短了30%,提高了信号的自动检测和识别能力。     

新型钠信标激光器研究进展

自适应光学技术广泛应用于大型地基光学望远镜，以校正大气扰动造成的波前畸变，使望远镜达到近衍射极限分辨率，实现对观测目标的清晰成像。激光钠导引星作为自适应光学校正的信标源，是自适应光学望远镜的核心技术之一。介绍了589nm光抽运垂直外腔面发射半导体钠导引星激光器和掺Dy3+晶体作为增益介质直接发射589nm激光的固体激光器的最新研究进展。这些方案因其具有体积小、效率高、可靠性高、成本低、易维护等优势，被认为是新一代钠导引星激光器有潜力的发展方向。     

Ultra-low threshold current laser for optical parallel datacommunication

The drive current of a directly modulated semiconductor laser for optical parallel data communication was investigated by taking into account both the threshold current and the differential quantum efficiency which are defined from the cavity length and the mirror reflectivities. Then the drive current required for an error free data communication (bit error rate: BER<10^-9) with the bit rate of 1 Gb/s was shown as a function of the threshold current with parameters of the cavity length and the mirror reflectivities. It was found that the laser cavity design which yields the minimum drive current is almost the same condition to achieve the minimum threshold current operation when the total system loss is low (<10 dB), whereas the cavity design for higher differential quantum efficiency is required when the total system loss is much higher. When the cavity length is 100 μm and the rear mirror reflectivity R_r is 0.99 for an example, the front mirror reflectivity R_f which gives the minimum drive current was obtained to be 0.94, 0.91, and 0.8 for the total system loss of 6, 10, and 20 dB, respectively