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。     

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。     

畸变光束远场光强叠加特性研究

在远场将阵列激光的光强进行叠加是获取高功率激光输出的一种有效方法,由于激光在传输过程中会产生波前相位畸变,进而导致远场光强分布不匀滑。基于惠更斯-菲涅耳原理,建立了多束具有随机相位畸变的二维矩形阵列高斯光束非相干合成模型。模拟了光强合成过程远场焦斑的质量变化,计算了远场焦斑RMS和PSD与合成光束数量之间的关系。结果表明:光束非相干合成不仅能够有效提高激光的输出功率,还可以使畸变光束合成后的焦斑分布更加匀滑,提高光束的质量。     

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。     

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。     

高阶平顶高斯光束阵列在自由空间中的相干合成

高阶平顶高斯光束在自由空间传输过程中,光强分布经历了三种状态:平顶高斯分布,平顶高斯中心凹陷分布,高斯型分布.通过对前两种状态相干合成光强分布特点进行模拟,研究了光束阵列结构、种子光束阶数、传输距离等因素对相干合成的影响,并用桶中功率对相干合成的光束质量进行了评价.结果表明:两种状态下相干合成都可以变为高斯光束,不过中心光强和光束半径的变化趋势不同.在一定条件下,阵列环上光束数量越多,相干合成光束的效果越好.     

复合环形腔被动相干合成技术重要特性研究

复合环形腔被动相干合成技术是提高激光功率并保持良好光束质量的有效手段。本课题组对该技术进行了理论和实验研究,其中主要研究分析了基于光纤激光阵列的复合环形腔被动相干合成技术的路数扩展特性、抗相位扰动特性、偏振选择特性、脉冲合成特性以及光束拼接技术。详细报道了相关研究结果并总结分析了该技术方案的发展趋势。     

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。     

强噪声下光纤激光相干合成突破千路

<正>受限于热效应、非线性效应、光纤材料损伤、泵浦亮度等因素，单路光纤激光功率的提升能力有限。高亮度光束合成是突破单路光纤激光功率提升限制的主要技术途径，其中光纤激光阵列相干合成技术是产生高功率高光束质量激光的有效方式之一。近年来，光纤激光相干合成技术在输出功率和合成路数提升方面均取得了显著的进展。在输出功率方面，2011年Ma等^[1]率先突破1 kW,Flores等^[2]于2016年实现了4.9 kW合成输出；2017年，刘泽金等^[3]实现了5.02 kW高光束质量共孔径合成输出；2020年，     

基于波前补偿的高阶高斯光束相干合成

在相同的抽运功率下,激光器工作在高阶模式时比基模高斯工作时有更高的功率输出,将其用于相干合成有望得到更高的功率输出。由于高阶高斯光束内部存在0-π相位差,使得其光束质量较差,相干合成激光亮度也因而受限。提出基于波前补偿的高阶高斯光束相干合成方案,利用光束净化将高阶高斯光束内部0-π相位进行补偿,然后将补偿后的光束用于相干合成。给出了优化式自适应光学光束净化补偿高阶高斯光束内部波前的仿真和实验结果,数值模拟了厄米高斯光束波前补偿前后相干合成的效果。结果表明,波前补偿后相干合成的1倍衍射极限内的桶中功率较波前补偿前相干合成桶中功率提高1个量级甚至2~3个量级。     

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。     

光束的几何排布对多重径向阵列光束传输特性的影响

研究了阵列几何排布对多重径向阵列相干和非相干合成光束桶中功率（PIB）的影响。在较小的桶内阵列相干合成光束的PIB值随P增大而增大;非相干合成光束的PIB值与几何排布无关。     

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。     

湍流对相干合成与非相干合成远场光束质量的影响

根据广义惠更斯-菲涅耳原理,对相干合成和非相干合成光束在湍流大气中的传输进行数值计算,并引入光束传输因子(BPF)用于评价合成光束的光束质量,对湍流大气对相干合成与非相干合成远场光束质量的影响进行定量分析.研究结果表明,在自由空间及强度较弱的湍流大气中传输时,相干合成光束在远场呈现多旁瓣的非高斯分布特征,与非相干合成光束相比具有峰值强度高的优势.但是随着湍流强度的增大,相干合成光束之间的相干性被破坏,相干合成光束的远场光强分布逐渐演化成与非相干合成的情形一致.定量计算结果表明,对于不同波长、不同数目的激光阵列,在较强的湍流大气中传输时,相干合成的光束质量与非相干合成光束质量相比均不占优势.计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考.     

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。     

光纤激光相干合成与非相干合成的比较

对多路光纤激光输出光束进行合成是获得高功率、高光束质量的输出的有效方法.为了比较不同合成方案的远场效果,对聚焦发射的相干合成和非相干合成光束远场分布进行数值计算,从控制相位误差、光束抖动和阵列占空比等三方面对这两种方案的远场特性进行比较研究.计算结果表明,与非相干合成相比,相干合成能够在远场获得更高的能量集中度,但会受到光束抖动和阵列占空比的严重影响.和通常考虑的平行发射相比,聚焦发射体制对相干合成时相位误差的要求宽松了很多,相位误差均方根(RMS)为π/3时,半径为5.6 cm的圆桶内汇聚的能量仍大于完全相干合成情形下的90%.     

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。     

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。     

双光栅非相干组束系统单光束耦合效率分析

为了保证组束激光的光束质量,在非相干光纤激光组束系统中再引入一个与之平行的衍射光栅.这种双光栅非相干组束系统的单光束耦合效率是单程耦合腔效率和光栅衍射效率的合成,通过理论分析和数值计算,结果表明在设定的组束参数下双光栅非相干组束系统的单光束耦合效率可以达到75.9%左右.