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。     

光纤激光相干合成的研究历程与发展趋势：基于文献引用的视角（特邀）

从文献引用的视角全面回顾总结了光纤激光相干合成二十余年的研究历程。按照学术发展初期、学术高速发展期、学术发展平缓期和技术发展关键期等4个阶段,分别介绍了光纤激光相干合成的代表性成果,分析并总结了学术水平和影响力较为突出的文献,梳理了光纤激光相干合成从概念提出到实际应用的演进脉络,研判了未来发展趋势。     

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%.     

超短脉冲偏振分割放大技术研究进展(特邀)

介绍了超短脉冲偏振分割器的基本类型和放大器的光路布局,总结了国内外采用偏振分割放大技术抑制光纤非线性效应、提高超短脉冲输出能量和突破增益介质抗损伤阈值方面的新进展。重点报道了偏振分割放大技术在高重复频率高功率掺铒飞秒激光器研制方面的最新进展,基于双程放大结构和多级偏振分割,同时实现超短脉冲的非线性放大与脉冲压缩,结合光学倍频,获得百毫瓦百飞秒,中心波长780 nm的激光脉冲,为实现结构紧凑、使用方便、环境稳定、光束质量好的飞秒激光光源提供了一个有效的技术途径,有望部分替代钛宝石激光器,在太赫兹产生、生物医学成像、光学非线性效应研究等方面拓展应用。     

基于计算技术的超快光纤激光研究进展与展望(特邀)

计算技术的引入给超快光纤激光带来了全新的研究方法和实际效果。文中简要总结计算技术应用于脉冲光纤激光的研究历程,梳理发展脉络,全面展示了计算技术促进超快光纤激光研究发展的使能特性。计算技术与超快光纤研究的进一步深度融合,有可能开辟新的研究与应用领域。     

学科交叉视角下的光纤激光:回顾与展望(特邀)

光纤激光是20世纪以来国内的研究热点。国防科技大学在光纤激光方向的研究始于“十一五”期间,至今已有约15年的历程,取得了一系列同行认可的研究成果。学校光纤激光的研究主体依托于光学工程学科。光学工程学是学校的优势学科之一,近几轮学科评估中得到了很好的成绩,为光纤激光方面的研究提供了高水平的科研平台和人才队伍等;另一方面,光纤激光的发展也受益于学校学科门类比较齐全的优势和在学科交叉方面的有益探索与实践。文中从学科交叉视角,梳理学校光纤激光学科方向与电子、材料、控制、智能、纳米等学科方向交叉取得的若干重要突破,从科研范式演进、学科主体驱动、应用需求牵引和科教融合发展等四个方面分析交叉科学研究和交叉学科建设面临的机遇。     

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.     

全光纤激光相干合成实验研究

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,分析输出光束的耦合相干性,分析两泵浦激光器泵浦功率比对耦合效率、泵浦效率及输出功率的影响,分析所设计的光纤激光器阵列的稳定性.结果表明:激光器阵列的输出功率等于子光纤激光器输出功率的相干合成,耦合效率相对稳定;未达到增益饱和的情况下,泵浦效率和输出功率均与泵浦功率比成递减关系.     

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.     

相干激光引信综述(特邀)

激光相干探测具有灵敏度高、携带信息丰富等优势,在军事、测绘、通信等领域得到了广泛的应用,特别是在激光雷达和激光通信领域的应用发展迅速,但在激光引信领域尚没有大规模地开展。相干探测应用到激光引信是通过检测激光多普勒信号获得目标的相对速度信息,利用速度差别极大地提高激光引信抗自然环境的干扰能力。介绍了相干探测的原理及特点,详述了四种相干激光引信体制,针对典型的线性调频相干激光引信,对其工作原理及系统组成进行了介绍。目前相干探测激光引信技术尚处于起步阶段,由于该体制可以极大提升激光引信的抗干扰能力及作用距离等综合性能,具有广阔的应用前景,值得各相关研究机构进行深入研究,进而加快相干激光引信的工程化应用进程。     

基于双光栅的光纤激光光谱合成关键技术研究进展(特邀)

基于双多层电介质膜（MLD）光栅色散补偿构型设计的光谱合成激光器（SBC）既实现了多路光纤激光高光束质量共孔径合束输出,又降低了单路光纤激光的线宽要求,逐渐成为多纤光谱合成的重要技术途径之一。介绍了基于双MLD光栅光谱合成的基本原理,简要分析了其涉及的关键技术。回顾了高功率可合成窄线宽光纤激光器、高功率高效率短波长光纤激光器、大色散高衍射效率MLD光栅和高集成度密集组束等主要关键技术的研究进展。介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所在基于双MLD光栅光谱合成关键技术研究方面的最新研究进展。对双MLD光栅光谱合成光源的发展潜力进行了展望。     

高功率光纤激光器功率合束器的研究进展(特邀)

光纤功率合束器是实现高功率光纤激光的核心元器件,可将多个中等功率的光纤激光器进行功率合成,以获得更高功率的光纤激光输出,解决单根光纤激光器功率进一步提升所遇到的瓶颈问题。文中综述了光纤激光功率合束器的基本结构和国内外研究现状,阐述了光纤功率合束器的工艺制作流程以及工艺难点,针对现存问题及今后的研究方向提出了建议。     

光纤激光器光谱合束技术综述

对实现高功率、高光束质量输出的光纤激光器光谱合束技术进行了综述。针对体布拉格光栅合束和多层介质膜光栅合束两种技术方案进行介绍,从合束原理、高功率窄线宽光纤激光器单元、光栅器件以及合束方案等方面进行分析。同时,针对近年来国内外在光纤激光光谱合束技术领域的发展也进行了归纳性的介绍。     

光纤激光器空间相干合束远场特性分析

基于Fraunhofer标量衍射理论,计算了按圆周形排列的6束光纤激光相干合束的远场光强分布,并对其能量集中程度进行了讨论。分析表明合成光束的远场光强分布可等效于若干平面波干涉结果与单束衍射包络之积,当单元激光器所排列的圆周直径在5倍单元激光束腰宽度以下的时候,合成光束将有超过90%的能量落在单元光束的86.5%能量圆以内。结论指出适当选择单元激光器的排列间距可以控制能量的集中程度,甚至使合成光束的能量集中度优于原单元激光器产生的高斯光束。     

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。     

中红外半导体激光器合束技术研究进展(特邀)

中红外半导体激光器体积小、效率高,在环境检测、空间通讯及军事国防等领域具有重要的应用前景。但是中红外半导体激光器单元器件输出功率低,限制了其在以上领域的应用。激光合束技术是能够实现中红外半导体激光器功率提升的重要途径。文中详细介绍了几种用于中红外半导体激光器的合束方法及中红外半导体激光器合束方面的最新进展。     

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。     

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.     

Theory of spectral beam combining of fiber lasers

We model the spectral beam combining of a fiber laser array in the external resonator configuration, as proposed by V. Daneu et al. A diffraction integral-based approach is used that leads to design principles for most significant measures of performance, such as efficiency, bandwidth, and beam quality. Sensitivity to alignment and positioning errors is also characterized. Off-axis transform lens aberrations are shown to limit array size, and two design criteria are applied to compare the performance of simple spherical, compound, and aspheric lenses. The results indicate that a simple aspheric lens is superior in meeting the proposed criteria to a well-designed compound (quadruplet) lens with spherical surfaces. Application to the efficient coupling of a laser array to a multimode fiber core is discussed as a final example