光纤激光器相干合成与谱合成比较研究

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。文章从对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六个方面,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。     

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%.     

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。     

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。     

多路光纤激光相干偏振合成技术研究

进行了多路光纤激光相干偏振合成理论和实验研究。基于主动锁相技术实现了4路光纤激光的相位锁定和相干偏振合成输出,合成效率达84.9%,验证了偏振合成向多路多模块发展的可行性,并提出了拓展方案。     

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。     

光纤激光相干合成技术

由于掺杂光纤的非线性效应、热损伤等物理机制的限制,单根光纤激光器的输出功率有限。为获取具有良好光束质量的大功率激光源,     

激光相干偏振光束合成技术的研究进展

激光相干偏振光束合成是近几年光束合成领域的热点。综述了国内外关于相干偏振光束合成的研究方案,对几种典型的方案进行了分析和评价。研究表明,基于主振荡功率放大(MOPA)结构的相干偏振光束合成方案有同时获得大功率、高光束质量的可行性,并且易于扩展。     

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。     

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.     

光纤激光器的相干合成技术

介绍了光纤激光器相干合成的研究现状,分析了几种典型的相干合成方法,指出了最佳的相干合成方法。     

被动锁相光纤激光相干组束的研究进展

被动锁相光纤激光相干组束是实现大功率、高质量光纤激光输出的有效手段之一。介绍了外腔法、全光纤自组织法、倏逝波耦合以及相位共轭法四种组束方案的原理,综述了被动锁相光纤激光相干组束技术的研究进展,分析了四种组束方案的发展前景。     

占空比对激光相干合成的影响

占空比是影响相干合成的重要因素,通过对矩形光束的相干合成进行数值模拟,在同一功率总量、同一发光总面积下,改变近场光束的排布方式、子束光束数量,根据合成光束在远场的场强分布,分析其对合成后光束的光束质量、峰值功率的影响,得出合理的排布方式和数量。     

光纤激光阵列自组织相干合成的性能研究

研究了基于倏逝波耦合的自组织相干合成激光阵列。应用静态本征模/超模理论推导阵列模式;通过数值方法考察阵列激光系统的动态特性进而分析输出功率的稳定性、阵列的扩展能力和阵列模式;并对两种方法得到的阵列模式进行了比较分析。结果表明:输出功率的稳定性以及输出功率的大小受阵列的锁相性能和阵元间的相位差影响;随着激光单元数目的增加,阵列总输出功率会非线性增大。通过跟踪各个阵元的相位变化并考察阵列模式的近场和远场特性,初步验证了37单元阵列的相干合成,随着阵元数目的增加,中心阵元与其邻近层阵元的振幅差会逐渐减小。     

光纤激光合成技术研究新进展

介绍了目前国内外光纤激光器合成技术的最新进展，分析了几种流行的非相干和相干合成技术方法，指出了其优缺点，最后对光纤激光器相干合成技术的发展作了展望。     

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。     

激光相干合成技术研究新动向

介绍了光纤激光器相干合成技术及其进展,指出了互注入锁相是一种被动锁相的新技术,该技术具有合成效率高、相干度高,容易实现多光纤合成和高亮度输出等特点,是一种有前途的大功率相干合成方法。