脉冲光纤激光相干合成技术

概述了目前国内外脉冲光纤激光相干合成的研究现状,介绍了几种典型脉冲激光合成方法,比较了各种方法的优缺点,分析了向高功率扩展的可能性,并简要总结了脉冲光纤激光器合成技术的发展趋势.     

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.     

光纤激光及其相干合成光场的准确分析

为了准确地研究光纤激光及其相干合成光束的远场传输特性,采用将LP01模分解为许多不同拉盖尔-高斯模叠加的方法,分析了LP01模以及多个光纤激光相干合成光束的传输光场分布和光束质量,并与用高斯函数表示的光纤激光的光场进行了比较.分析中发现,基模高斯光束与LP01模的初始场分布基本相同,但传输后的光场分布会产生较大误差,在光纤激光相干合成光场的分析中两者间的差别也非常明显.结果表明,为更准确地分析光纤激光及其相干合成光束的传输特性,光纤激光的模场表达式应采用拉盖尔-高斯模的叠加式.     

脉冲激光的非相干合成技术研究

为了实现高功率、高光束质量的激光输出,采用脉冲激光同步延时控制技术,将多束脉冲激光按时序合成一束脉冲激光,可用于产生大功率激光源。利用所设计的激光脉冲同步延时控制器,控制各个激光脉冲的时序,使按时序输出的多路激光脉冲依次通过光束合成装置,在空间合成为一束。在实验中将3束脉冲激光束合成,合成效率达到95.8%。结果表明,合束后的脉冲激光功率基本等于各束光相加的总和,同时保持了较好的光束质量。     

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。     

平均功率360W的光谱合成纳秒脉冲光纤激光

采用多层电介质膜衍射(MLD)光栅实现多路光纤激光的共孔径光谱合成是主流的光谱合成方案。本实验搭建了4路平均输出功率为100W量级的窄线宽脉冲光纤激光器,中心波长在1058～1075nm,利用基于MLD光栅的光谱合成系统,成功获得了平均功率360W,峰值功率122 kW,脉冲能量036mJ,合成效率90,重复频率1 MHz,脉冲宽度295ns的光谱合成脉冲激光输出。最大合成功率下对应的输出光束质量因子M2小于2(M2x=193,M2y=16)。     

光纤激光相干合成中倾斜波前控制的研究进展

相干合成是获得高功率、高光束质量激光输出的有效方法之一。在光纤激光相干合成中,各路激光的活塞相差、倾斜波前和光束拼接方式直接影响合成光束的质量。各个单元光束波前的倾斜误差对合成的效果有重要影响,因而倾斜波前控制具有重要的意义。详细介绍了液晶空间光调制器、高速倾斜镜和光纤自适应准直器等常用的倾斜控制器件,对比目前用于倾斜波前控制的不同方案,分析了各方案的优缺点。并对光纤激光相干合成中倾斜波前主动控制的发展进行了总结和展望。     

基于双色镜的2.3 kW光纤激光光束合成

基于双色镜的光谱合成技术可突破单个光纤激光器输出功率极限的限制，是获得高功率、高光束质量激光输出的有效技术手段。理论上，初步探究了参与合成的光束位置偏移及倾斜误差对合成光束质量的影响，结果表明光束倾斜误差对合成系统的输出特性影响显著。实验上，开展了两路窄线宽光纤激光器的合成实验，使用双色镜作为合成元件，获得了最大输出功率为2355 W的高光束质量共孔径合成输出，光束质量M2为1.9，合成效率大于99%，实验验证了双色镜在反射和透射情况下具有较高的效率。通过进一步提高单路光纤激光的输出功率或增加合成路数，可以实现更高功率和更好光束质量的共孔径激光输出。     

多光束窄脉冲激光合成技术研究

通过多光束合成的手段提高激光器的输出能力。在许多领域具有重要应用价值。但是多年来人们在激光多光束合成研究中一直锁定在激光相干合成的体制上，鉴于光波频率极高，实现困难,影响了工程应用的迫切需求。本文给出了多光束窄脉冲激光功率合成体制的构想,在某些应用领域的重要价值、优点的论证分析．并给出了合成方法及部分试验数据。     

超短脉冲光纤激光相干合成(特邀)

相干合成技术能够突破单路激光的功率和脉宽极限,实现超高功率、超短脉宽的脉冲激光输出。介绍了超短脉冲光纤激光空域、时域和频域相干合成的基本原理和关键技术。综述了空域、时域和频域相干合成系统及其关键技术的研究现状,梳理了超短脉冲光纤激光相干合成的发展趋势,为相关技术的发展提供参考。     

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。     

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。     

光纤激光相干合成与谱合成的比较

相干合成和谱合成是两种不同的光束合成方案,近年来均取得了显著进展.为了比较系统地研究这两种新兴的光束合成技术,从光纤激光器的基本要求、关键技术、可扩展性、光束质量、系统稳定性和光束控制等6个方面,对目前已经获得高功率且有望获得更高功率输出的两种典型方案进行了比较研究.结果表明,基于主振荡功率放大器结构的相干合成方案和谱合成方案均难以同时获得高功率、高光束质量的激光输出.对于不同的应用场合,需要在高功率和高光束质量中选择较好的平衡点.     

变增益随机并行梯度下降算法及其在相干合成中的应用

将一种改进的变增益系数自适应随机并行梯度下降(SPGD)控制算法应用到大阵列光纤激光相干合成中,计算不同增益系数对算法收敛速度的影响程度,分析判断该方法的控制带宽、控制时间与合成光束质量、合成路数的关系以及其应用于大规模阵列相干合成的可行性。计算结果显示,在7束光纤激光相干合成中,该方法由于采用了变增益系数的控制策略,相比于传统的固定增益系数SPGD算法,具有收敛速度快、控制带宽高、适用于多组束光纤激光相干合成等优点。将该方法应用在37束、91束和100束光纤激光阵列锁相中,也得到了快速的收敛效果,采用自适应SPGD算法分别将收敛速率提高了37.8%、63.8%和75.0%,说明该方法在合成路数较大时优势更加明显,进一步表明其具备向大阵列光束相干合成扩展的潜力。     

光纤激光阵列相干合束的研究

相干合束是获得高功率、高光束质量激光的一种重要方法。为了分析光纤激光合束的特点,通过对相干合束不同传输距离光强分布特点的模拟对比,研究了光纤激光阵列结构、相位随机抖动、光纤间距、传输距离等因素对相干合成的影响,分析了相干合成时桶中功率随传输距离的变化。结果表明,相干合成时,不同光纤激光阵列结构在传输距离较近位置光强分布差别很大;随着传输距离增加,光强分布基本都接近高斯分布;轴上点光强分布极大值个数和阵列结构环数紧密联系;各光束之间的随机相位差越小,相干合成效果越好。这些结果对光纤激光相干和束的实验研究有一定的参考价值。     

高峰值功率脉冲激光的光纤传能特性

实验研究了光纤传输调Q Nd:YAG高功率脉冲激光特性,包括光纤的传输效率、输出光束特性、输出光斑能量分布以及激光诱导损伤特性.得出的主要结论为:光纤传输高峰值功率激光引起受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)的产生是导致传输效率下降的主要原因;光纤输出光束束腰位置为输出端面,发散角略大于入射角,光束质量下降,输出光束截面光斑能量分布"匀化":光纤的端面激光损伤限制了传输激光功率的提高,其主要损伤相貌分为一坑状损伤、熔融损伤和溅射损伤,实验得出光纤端面的激光零损伤概率阈值功率密度为3.85 GW/cm2.     

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。     

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。     

光纤激光器光束合成技术

介绍了光纤激光器光束合成的原理、方法,概述了激光束波长合成技术、相干合成技术的研究和发展状况,总结了光纤激光器合成技术的发展趋势.