利用外差法对激光相干合成技术中相位的研究与实现

系统采用并联主振荡-功率放大的相干合成方案,实现光纤激光器的相干合成.外差法是通过实时探测和校正光路中相位的变化,从而使整个系统达到锁相输出的目的.主振荡激光器的波长为1064 nm,输出功率0-100 mW连续可调,光纤相位调制器采用铌酸锂相位调制器.声光移频器的移频量为70 MHz,精度可优于/λ20,相干合成效率≥80%,整个光路为全保偏光路.相位调制器实时控制2路信号的相位差,从而实现整个实验系统的相干合成输出.系统实现闭环控制后,2路光纤放大器的相位差为2π的整数倍,输出光强始终保持最强.该相干合成方案简单易行,性能稳定.     

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。     

980nm波段连续光纤激光器的研究进展

980nm波段掺镱光纤激光器在高亮度抽运源和蓝绿光源方面具有广泛的应用前景。首先介绍了980nm波段连续光纤激光器的研究价值、研究难点。然后,介绍了国内外研究机构在980nm波段连续光纤激光器和放大器方面的研究进展和存在的问题。最后对980nm波段连续光纤激光器和放大器未来发展方向进行探讨。     

高功率光纤激光器相干合成研究

综述了国内外在高功率光纤激光器相干合成方面的最新进展,分析了各种方案的优缺点,并展望了光纤激光器相干合成的应用前景。国外已研发了19芯阵列光纤,进行了10路光纤激光器相干合成,输出功率已达200W。国内进行了两束光纤激光的相干组束,获得了连续波18．3W的光纤激光输出,并在高速相位探测与锁定方面取得了一定进展。     

光纤激光器的相干输出

研究了两路光纤激光的相位锁定和相干输出, 用融锥光纤耦合器实现了两路高掺铒光纤激光之间的相互耦合。提出了在激光器高反射率前腔镜的前面加融锥光纤耦合器的方法构成简单的共振腔, 从而实现两路光纤激光的相干叠加。开展了基于融锥光纤耦合器互注入锁相的两路光纤激光器的相干合成实验, 成功实现了两路光纤激光器的注入锁定, 观察到了波长锁定（中心波长稳定在1549.8 nm, 线宽为0.08 nm）、远场干涉条纹和线宽压缩现象。分析了单个激光器和激光器阵列的斜率效率, 当反射率为70%, 抽运功率均为145 mW时, 获得最大合成功率为127 mW。     

Noise reduction in long-haul lightwave all-amplifier systems

The overall gain of a chain of erbium-doped fiber amplifiers in a long-haul all-amplifier system would be automatically stabilized if each amplifier were operated slightly into saturation. However, with the required low level of amplifier output power which is imposed by nonlinearity in the transmission fiber, the resulting pump power becomes too low to effectively invert the gain medium of the amplifiers. Consequently, the amplifier output noise level becomes too high for proper system operation. This problem is solved by pumping the amplifiers harder so that a higher gain and higher output power are achieved. The excess gain is then counteracted by an appropriate value of post-amplifier loss. Because of the higher pump power in this case, the amplifier noise is reduced significantly. This technique is investigated theoretically, and experimental work that verifies it is reported     

百瓦级1 030 nm光纤-固体混合放大激光器

光纤-固体混合放大技术能够将光纤激光器和固体放大器的优势结合,获得结构紧凑、成本低廉的高功率超短脉冲激光。因此,实验设计了基于掺镱光纤-固体混合放大技术的高平均功率超短脉冲激光器。该激光器主要由全光纤结构激光器和两级固体放大器组成,第一级为基于Yb: YAG单晶光纤的固体放大器,第二级为基于无侧面抛光的棒状Yb: YAG晶体的主放大器。超短脉冲全光纤前端平均输出功率为6.5 W,重复频率52.9 MHz,脉冲宽度47.5 ps。第一级单晶光纤放大器采用单通放大形式,在反向泵浦功率182 W时获得40 W的平均功率。第二级固体放大器同样为单通放大,在反向泵浦功率307 W时获得平均功率122.9 W的超短脉冲激光输出,滤除热退偏激光后获得了107.3 W的线偏振超短脉冲激光,对应斜效率为26.1%。此时测得脉冲宽度为12.1 ps,中心波长为1 030.6 nm,光谱宽度为2.4 nm。在最大输出功率107.3 W时,测得水平和垂直方向的光束质量因子M_x2=1.45,M_y2=1.20。     

三谱线、高峰值功率窄线宽纳秒光纤激光器

为了抑制窄线宽脉冲光纤放大器中受激布里渊散射效应, 使用多谱线技术对单频种子源的线宽进行了拓展, 进行了基于三谱线的主振荡功率放大高峰值功率脉冲全光纤激光器实验验证。结果表明, 经过两级预放、一级功放, 获得激光输出的最大平均功率为303W, 脉宽为2.8ns, 重复频率为3.1MHz, 对应的峰值功率为35kW, 在最高功率输出情况下, 激光器的光束质量小于1.3;三谱线结构对受激布里渊散射有着明显的抑制作用。该研究为高峰值功率的脉冲光纤激光器放大技术提供了参考。     

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。     

线阵光纤激光相干合成角度扫描控制方法研究

基于光的干涉理论,对多芯线阵光纤激光通过相干合成进行角度扫描的原理进行了研究。利用相干合成模型,用MATLAB分别对信号无噪声与含有随机相位噪声时的合成效果进行了数值仿真计算,分析了通过主动相位控制对合成光进行角度扫描的可行性;基于MOPA结构光纤激光线列搭建了相干合成角度扫描控制系统。通过实验验证了在多路光纤激光完成锁相后,若依次等比改变各芯激光的相位可以实现主极大条纹连续的角度扫描,扫描范围与模型中计算所得结果基本一致,实验结果与理论计算相符。该方法的探索研究对线列光纤激光的相干合成应用拓展有一定的指导意义。     

耦合强度对公共环形腔耦合式光纤激光器锁相性能的影响

利用公共环形腔耦合实现了两路光纤激光器的无源相位锁定,研究了激光器之间耦合强度对锁相性能的影响。环形耦合腔主要由两个22的光纤耦合器组成,其构成了激光器之间能量相互注入耦合的公共通道,并使它们获得了初步的相位同步。考虑到耦合强度主要由成环光纤耦合器的耦合比决定,建立了分析耦合强度影响的理论模型,并从理论上研究了耦合比的大小和差异对环内光强和输出光强的影响。此外,实验上实现了两路掺铒光纤激光器的有效相位锁定,并通过分析远场干涉光斑和输出功率研究了锁相阵列输出激光束的相干性和合成效率。研究结果表明:足够的能量耦合强度是获得有效相位锁定的必要条件,通过增加耦合比来增大耦合强度可以提高锁相阵列的相干性,但会略微降低合成效率。     

UV generation by frequency quadrupling of a Yb-doped fiberamplifier

The pulsed output of a Yb-doped fiber amplifier was frequency doubled and quadrupled to generate visible and UV radiation. When pumped with 150-200 mW at 980 nm and seeded at 1064 nm, the amplifier produced an average power of 90 mW at 1064 nm, 45 mW at 532 nm, and 1.4 mW at 266 nm. These results indicate that frequency-converted fiber lasers and amplifiers will be able to replace conventional tunable UV sources (e,g,, frequency-converted dye lasers) in a number of applications     

A high-gain, high-output saturation power erbium-doped fiberamplifier pumped at 532 nm

An erbium-doped fiber amplifier with a high small-signal gain of 42 dB at the gain peak of 1536.4 nm, a pumping efficiency of 1.6 dB/mW, and an output saturation power of 10 dBm is obtained with a pump power of 60 mW at 532 nm using the second harmonic of a Nd:YAG laser as the pump source. These experimental results indicate that diode-laser-pumped mini-Nd:YAG lasers with intracavity frequency-doubling have an output power at 532 nm of 100-150 mW that can be of great interest for practical system applications using high-gain, high-output-power erbium-doped fiber amplifiers     

高功率光纤激光器和放大器的非线性效应管理新进展

受激布里渊散射、受激拉曼散射、自相位调制等非线性效应限制了高功率光纤激光器、放大器的输出功率和传输特性.通过改进光纤的几何结构、材料成分、制作工艺、工作环境等可以克服这些限制.在分析了光纤激光器、放大器中几种非线性效应的产生机理、功率阈值特点后,着重介绍了采用大模场光纤设计、变化光纤掺杂成分及分布、纳米粒子直接掺杂技术以及控制应力、温度场调制等新方法、新技术在非线性效应管理中的应用,最后指出合理的方案.     

180 W单频全光纤激光器

高功率单频光纤激器在相干探测、功率光谱合成等方面具有广泛的应用前景。分析了高功率单频光纤激光器中受激布里渊散射效应的抑制方法,研究了放大级特性对受激布里渊散射效应的影响。采用线宽为70 kHz的单频光纤激光器作为种子源,经两级光纤放大,实现了中心波长1 064.1 nm、线宽70 kHz、最高功率为180 W的单频全光纤激光输出,光-光转换效率71.1%,光束质量Mx2=1.2,My2=1.21。分析了改变放大级特性前后输出功率提升的原因,认为改变放大级的温度分布减小了受激布里渊散射效应的增益系数,提高了输出激光的受激布里渊散射阈值,促使改变放大级温度分布后的输出功率大幅提高。该激光器的输出功率仅受限于泵浦功率,进一步提高泵浦功率,有望实现更高功率的单频光纤激光输出。     

Comprehensive Modeling of Single Frequency Fiber Amplifiers for Mitigating Stimulated Brillouin Scattering

A universal model capable of handling various operating conditions has been developed for designing of high power single frequency fiber amplifiers. The model analyzes the impacts of pump configurations, fiber lengths, and fiber temperatures on amplifier performance. It shows that counter-pumped amplifiers are capable of generating several times more output than co-pumped amplifiers. To fully take their advantages and deliver the laser output, a delivery fiber should be properly designed to avoid unwanted SBS which can significantly undermine the amplifier performance. On the other hand, for applications requiring delivery fiber at relative low power, the co-pumped amplifier can be an alternative since it can use the gain fiber as the delivery fiber and thus eliminate requiring an additional delivery fiber. The model also analyzes possible approaches for suppressing SBS, such as applying additional heating, the use of SBS suppressing fiber, and increasing core diameter. It shows that applying additional heating to a co-pumped amplifier can increase the output by a factor of 1.7. Finally, the model concludes that a single frequency amplifier can achieve multiple kilowatts output by carefully choosing amplifier design and utilizing SBS suppression technique.      

两个光纤激光器的相位锁定及高相干功率输出

研究了两个光纤激光器的相位锁定及其相干输出。将两个光纤激光器的输出耦合进一个自成像共振腔,然后利用一个空间滤波器进行模式选择。自成像共振腔由两个焦距为8 mm的准直透镜、一个焦距为500 mm的傅里叶透镜和一个耦合输出镜组成。滤波器由两根20μm的铂金线组成,并放置在耦合输出镜面上。实验中,观测到光束截面图样具有高对比度的干涉条纹。输出镜反射率在50%和30%情况下,分析了单个激光器和激光器阵列的斜率效率。在总抽运功率为60 W时,获得了18.3 W的高相干功率输出。稳定的相位锁定是由于激光器阵列具有能适应光程长度变化的自调节过程。实验表明,利用该方法完全可以进一步提高相干输出功率。     

Novel intra-cavity self-organization coherent erbium-doped fiber laser

A novel all-fiber self-organization coherent Erbium-doped fiber laser is proposed and demonstrated. The laser system is composed of two independent lasers. When each of the two branch lasers operates independently, the output power is 10. 41mW and 8.69 mW respectively. By adjusting a polarization controller (PC), the two lasers achieve coherent coupling, and the output power is 24.4 mW, which is more than two times that the single laser yields. Furthermore, we bring forward and discuss the factor estimating the effect of coherent combination—coherent coupling factor. The value of growth factor to evaluate the effect of coherent combining is 1.27. The coherent fiber laser has the advantages of simple structure, high efficiency and single frequency, which conduce to coherent coupling easily.     

单频光纤放大器中泵浦作用的相位噪声

研究了铒镱共掺单频光纤放大器中100 Hz～1 kHz频段内的相位噪声,并通过实验证明该尖峰噪声为泵浦电源产生的相位噪声。从铒镱共掺光纤放大器的功率传输方程出发、结合泵浦激光的热传递函数,数值分析了泵浦功率、泵浦波长、增益光纤长度对100 Hz～1 kHz频段内相位噪声的影响。通过二级光放大结构对输出激光的相位噪声进行测量,并将实验结果与数值仿真结果进行对比,证明了理论模型的可靠性。该研究优化了主谐振功率放大结构铒镱共掺单频光纤放大器的相位噪声特性、并为提高相干合成时的合束效率提供指导。以上所得结果普遍适用于主谐振功率放大结构的光纤放大器。     

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。