高功率脉冲光纤激光光束合成的最新研究进展

光束合成作为提高脉冲激光功率的有效手段,近年来得到了人们越来越多的关注.综述了几种典型的脉冲光纤激光光束合成方法.详细介绍了近年来不同时域特性(如飞秒、皮秒、纳秒)脉冲光纤激光光束合成的最新进展,分析了各种合成方法的技术特点,总结了脉冲光纤激光光束合成的发展趋势.     

光纤激光谱合成改善光束质量的研究进展

光束质量是衡量激光性能的重要指标。鉴于当前谱合成光束质量的研究现状,本文归纳出3种改善光束质量的方法：窄线宽法,双光栅色散补偿法,抑制光栅热变形法。对于每一种方法,详细介绍了其设计思路;综述了该思路下光束质量改善所取得的进展。此外,本文还展示了我们团队研究光栅热变形、影响光束质量的理论和实验成果。该成果表明：在30 W激光辐照下,2 min内,M²从1.06增加到1.26。显示出谱合成的光束质量是一个动态变化过程。     

校正激光光束指向漂移的算法研究

为了获得稳定的激光光束,需要对其随机漂移进行校正。以光束传递系统中快速反射镜校正脉冲激光器自身指向漂移的过程为例,采用一种基于移动平均值校正原理的算法,对加载地面抖动前后的校正效果进行了仿真模拟。仿真结果显示,该算法可以使指向漂移经过长距离传输后引入的位置偏移显著降低;校正后的移动平均值相对于校正前的有较大降幅,最优处约降至原来的n-1/2(n为一个窗口内的脉冲数);校正后的移动标准偏差值也明显下降。结果表明,该算法的关键在于提出合适的补偿量,具有实用性,可以实现对激光光束指向漂移的闭环实时校正。     

阵列光束棱镜扫描光束指向及点云精度分析

在面阵扫描成像激光雷达中,阵列光束照明与棱镜扫描相结合实现了高能量利用率、高分辨率和宽探测视场,但阵列子光束倾斜入射棱镜,破坏了光束传输的旋转对称性,棱镜对子光束偏转能力存在差异,规则光束阵列产生了形状畸变,导致光束指向误差,影响点云位置精度。首先,将阵列光束与棱镜结合的圆锥扫描方式分解为多角度入射多波束并行扫描,通过所有子光束的传输特征来综合表征阵列光束传输特征;然后,采用三维矢量光学方法推导了阵列光束在棱镜中的传输过程,建立了子光束指向变化与棱镜扫描角度的关系;最后,通过对机载激光雷达棱镜扫描成像过程的数值仿真,建立了光束指向变化与点云数据质量的联系。仿真结果表明：阵列光束(3×3)棱镜扫描系统在航高0.5 km时,光束阵列畸变导致平面误差RMS约为5 cm,并随航高呈线性变化;斜率约为0.1 m/km,并随着阵列光束规模和子光束角间距增加点云平面精度随之下降。通过对棱镜扫描过程中光束阵列畸变规律掌握,为后续机载飞行试验数据的校正、阵列光束结合多棱镜扫描系统的设计提供了基础。     

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。     

半导体激光阵列光谱压窄及光束整形技术研究

采用体布拉格光栅外腔和阶梯镜实现了半导体激光阵列光谱压窄、波长稳定及光束整形。在工作电流为15 A时,输出激光波长锁定在807.7 nm,且不随水冷温度漂移。光谱宽度由自由运转的3.0 nm减小到0.23 nm,且不随注入电流的增加发生明显变化。阶梯镜光束整形和聚焦后,耦合进芯径为600 μm,数值孔径为0.22的光纤,耦合效率为88.6%。     

基于楔形微透镜补偿半导体激光阵列指向偏差

针对半导体激光阵列的发光单元指向性偏差导致快轴光束质量显著劣化的现象,研究了发光单元指向性偏差对快轴光束质量的影响,提出了一种利用微光学元件补偿发光单元指向性偏差的方法,设计了一种楔形微透镜阵列,可实现单个bar条的光束耦合进芯径200μm、NA=02的光纤。模拟计算结果表明,楔形微透镜阵列的补偿作用可使半导体激光阵列快轴方向的光参数积由6424mm·mrad下降到5814mm·mrad,光纤耦合效率达到956,相比补偿前提高了104。为降低工艺难度,采用分类补偿的方法,模拟光纤耦合效率达到915。考虑到工业应用,采用由三片楔形透镜组成的透镜组对分类后的发光单元光束分别进行补偿,测量得到的光纤耦合效率为904,比补偿光束指向性之前的耦合效率提高了约7。     

外腔振荡式光纤激光光谱合成系统

光谱合成技术是一种有效的突破单根光纤激光器输出极限,得到更高亮度的激光输出的方法。介绍了一种外腔振荡式单路光源的光纤激光光谱合成方案,相比于现行的主振荡功率放大（Master Oscillator Power-Amplifier,MOPA）式单路光源的单光栅合成方案,具有结构紧凑、阵列规模扩展能力强的优点。对该方案进行建模,分析了合成系统中不同波长的单路激光光源的位置关系,并对系统中的光纤排布、转换透镜像差等因素对合成效果的影响进行了仿真计算。搭建实验系统进行了初步的实验验证,与理论结果能够吻合。对下一代光谱合成系统的构建以及光学元件的选择具有重要的指导意义。     

紧凑型光谱组束系统中光纤阵列扰动对光束质量的影响分析

定量分析光纤阵列位移及指向扰动偏差对合束激光光束质量因子M²的影响规律是实现合束激光光束质量有效控制的前提。根据衍射积分推导了紧凑型光谱组束系统中光纤阵列存在不同位移、指向扰动时合束激光的远场光强分布,利用Heisenberg不确定性原理推导出了合束激光光束质量因子M²的表达式。在恒定的子束数目下,分析了单路/多路光束分别存在位移、指向扰动偏差时合束激光光束质量因子M²的变化情况,并在一定的随机位移、指向扰动偏差下对不同子束数量的合束激光的光束质量因子M²进行了误差分析。结果显示：合束激光光束质量因子M²对沿光纤端面水平(x轴)方向的扰动量最为敏感,需要控制在微米量级;确定了光纤阵列的不同扰动量与合束激光光束质量因子M²之间的定量关系,给出了光纤阵列位移、指向精度控制要求;当参与合束的子束数量超过23束时,在特定的随机扰动量下,合束激光的光束质量因子M²的统计均值分别趋向各自的稳定值1.37、1.34、1.25,而标准差分别趋于0.0...     

方向回溯阵列的波束指向分析

以时间反演和相位共轭原理为理论基础讨论了方向回溯阵列的波束指向特性. 分别研究了线阵、平面阵和共形阵列在不同角度入射信号下的回溯信号波束指向,得到了幅度误差和角度误差随入射角的变化关系曲线,研究结果表明:对线阵、平面阵和共形阵列,随着入射角度的增大,阵列的波束指向角度误差和幅度误差都会增加. 最后在理论分析的基础上设计了一种球面共形阵,考虑了载体曲面对波束指向的影响,对其在空间内的波束指向进行了仿真验证,得到在16元球面共形阵入射俯仰角小于45°时,可以实现波束指向误差小于5°. 通过上述研究,进一步完善了方向回溯阵列波束指向误差理论,为方向回溯阵列设计提供了依据.     

半导体激光器光束谱合成效率的分析

针对半导体激光器的光束谱合成系统结构及其特点,利用Lang-Kobayashi模型建立的速率方程,在稳态情况下,推导出单个子光束经谱合成系统后的效率公式,并进一步讨论了多个光源经谱合成系统后的合成效率及其影响因素。研究结果表明:半导体激光器经谱合成系统的效率与半导体激光器输出端面和外腔输出耦合镜的反射率的相对大小、变换透镜和望远镜系统的透过率、闪耀光栅的衍射效率以及系统的耦合效率有关;在实际工程设计中,要尽可能提高变换透镜和望远镜系统的透过率、闪耀光栅的衍射效率以及系统的耦合效率,并综合考虑系统效率和光谱稳定性的要求,对半导体激光器输出端面和输出耦合镜的反射率进行优化设计。     

微透镜阵在光纤激光外腔谱组束中的应用研究

提出了基于微透镜阵的光纤激光外腔谱组束方案,设计了能够对光纤阵列出射光束进行预准直的球面折射微透镜阵列.分析了组束系统的组束潜力,结果表明,所设计的组束系统能够实现12个Er3+/Yb3+共掺光纤激光器阵元的外腔谱组束.利用瑞利-索莫菲衍射积分理论,分析了微透镜对光纤出射光束的准直效果,结果表明,微透镜的实际焦距与设计...     

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。     

多目标指示激光束的Walsh编码研究

针对激光目标指示器在进行多目标指示时,激光束之间有相互干扰的缺点,提出了一种基于walsh矩阵的多目标指示激光束编码方案.walsh矩阵的每一行或每一列都相互正交,是伪随机序列,自相关值最大,而互相关值为0.哈达马序walsh矩阵的结构特点使得可编程电路很容易生成该矩阵的某一行或某一列.通过简单的数值设置,可以让不同的目标指示器生成Walsh矩阵的不同行,即得到不同的伪随机序列.利用伪随机序列的相关特性,使用walsh矩阵的不同行对激光束进行编码,则可消除激光束间的串扰.该方案具有抗干扰能力强、保密性好、易于实现等优点,也适用于多路遥控系统.     

高亮度半导体激光器无输出耦合镜光栅外腔光谱合束

宽面发射半导体激光器的光谱合束技术对发展高功率直接半导体激光光源具有重要意义。光栅外腔光谱合束基于光栅的波长选择特性和外腔半导体激光技术,实现单个合束单元的光谱锁定和所有合束单元的合束输出,输出光束质量与单个合束单元相当,而亮度和功率得到很大的提高。基于无输出耦合镜光栅外腔光谱合束结构,实现了单个半导体激光短阵列的光谱合束,分析了光谱合束的输出光谱、输出功率和光束质量的特性,获得了70 A工作电流下40.8 W的连续输出功率,快轴和慢轴方向的光束质量分别为0.41 mmmrad和9.16 mmmrad （包含95%能量）,相应的电光转换效率为38.4%,亮度高达67.90 MW/（cm2sr）。     

激光束的相干合成技术

本文可实现激光束相干合成的一些有用的技术作了总结，对由Ｓｃｈｕｓｔｅｒ等人 掾联ＭＯＰＡ系统进行成对共线光束合成的功率定标模型作了分析，最后，对与位相控制概念有关的作了讨论。     

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     

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。