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第
卷
第
期
中
国
激
光
年
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
Februar
y
高功率光纤激光相干合成的现状
、
趋势与挑战
王 小 林
,
周
朴
,
粟 荣 涛
,
马 鹏 飞
,
陶 汝 茂
,
马 阎 星
,
许 晓 军
,
刘 泽 金
国防科学技术大学光电科学与工程学院
湖南 长沙
摘要
光纤激光相干合成是突破单路光纤激光功率极限和实现更高输出功率的有效 技术 方案
是传 统高 功率激 光
系统走向激光相控阵高功率光纤激光系统的重要基础
介绍了高功率光纤激光相 干合 成的系 统结 构
并指 出了 主
要研究对象和关键技术
介绍和分析了光纤激光相干合 成的 国 内外 相关 研 究现 状和 发 展趋 势
分 析了 光纤 激 光相
干合成面临的主要技术挑战
关键词
激光光学
光纤激光
相干合成
相位控制
激光相控阵
相干放大网络
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
CJL.
CurrentSituation Tendenc
y
andChallen
g
eofCoherent
Combinin
g
ofHi
g
hPowerFiberLasers
Colle
g
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f
O
p
toelectronicScienceandEn
g
ineerin
g
NationalUniversit
y
o
f
De
f
enseTechnolo
gy
Chan
g
sha Hunan
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
收到修改稿日期
基金项目
国家自然科学基金
科技部重点研发计划
作者简介
王小林
男
博士
副研究员
硕士生导师
主要从事光纤激光器及相干合成等方面的研究
通信联系人
引
言
光纤激光器以稀土离子作为增益介质
以波导结构作为光束传输通道
电光效率高
光束质量好
结构紧
凑
热管理方便
在工业
医疗
国防等领域得到了广泛应用
由于大模场 双包层增益 光纤的制作 工艺和
高亮度抽 运 源 技 术 的 发 展
自
年 掺 镱 光 纤 激 光 突 破
以 来
光 纤 激 光 输 出 功 率 得 到 了 迅 速 提
升
年
美国
光子公司实现了功率为
的单模光纤激光输出
年
美国
光子公
司又将输出功率提升到
但受非线性效应
模式不稳定效应等物理因素和材料损伤特性的限制
单
路单模激光器的输出功率始终有限
理论上
在不考虑模式不稳定效应的情况下
半导体激光抽运的光纤激
光器最大输出功率为
级联抽运的光纤激光器的最大输出功率为
如果考虑模式稳定效
中
国
激
光
应
单模激光输出功率的理论极限则更低
全光纤功率合束是获得更高功率输出的一种有效方法
年
美国
光子公司利用
全光纤
功率合束器实现了
的 多 模 激 光 输 出
但 是 该 激 光 器 产 生 的 光 束 质 量 退 化 明 显
光 束 参 数 积 为
难以满足远距离传输等特殊领 域的需求
光谱合成和 相干合成有 望在获得 更 高功率输 出 的
同时保持良好的光束质量
年
等
采用光谱合成实现了
的功率输出
年
中国科
学院上海光学精密机械研究所
和中国工程物理研究院
利用光谱合成均实现了
量级的功率输出
相干合成利用小口径光束进行空间拼接并通过锁相控制获得等效 的大口径激 光输出
具
备光谱合成分散热效应的优点
可保持光束质量
提高光束亮度
是高能激光系统走向相控阵的基础
成为高
能激光系统的重要发展方向之一
利用相干合成方法
美国麻省理工 学院在
和
年分别实现
了
和
接近理想光束质量的激光输出
光纤激光相干合成系统结构与关键技术
21
光纤激光相干合成系统结构
如图
所示
典型相干合成系统主要包括放大器模块
合束模块
性能评价 函数获取模 块和系统控 制模
块
放大器模块提供多链路相干合成光源
线偏振窄线宽种子激光经过预放
后
被全光纤分束器
分为多路
各路光束经过相位调制器
延迟线
偏振控制器
后
进入光纤 放 大器
中
放大器将激光功率放大后
输出到合束模块
合束模块通过一定方式将多路光束在近场实现高占空比合
成光束输出
合 束 模 块 的 输 出 光 束 经 过 高 反 射 镜
后
大 部 分
激 光 被 直 接 输 出
小 部 分
小于
激光进入性能 评 价 函 数 获 取 模 块
性 能 评 价 函 数 模 块 中
光 束 经 过 透 镜
会 聚 后
被 分 束 镜
分为
束
其中两束进入探测器用于获取性能评价函数
一束入射到相机用于观察远场光束
性
能评价函数有多种获取方式
图
为采用带小孔的探测器
探测远场光束中心主瓣能量的方式获取性能
评价函数
在相干合成系统中
性能评价函数代表了相干合成光束质量的性能
性能评价函 数达到极值 时
相干合成的光束质量为最优
将性能评价函 数输入系 统 控制模块 中
利用适当 的 控制方法
例如频率 抖 动
法
随机并行梯度下降算法
对相干合成中的各个参量
偏振态
相位
光程差
光轴
倾斜
进行 优化
控制
在性能评价函数极值寻优过程中实现最优的相干合成效果
图
光纤激光相干合成系统结构
22
光纤激光相干合成关键技术
根据物理光学基本原理
要实现稳定的干涉
各路光束频率和偏振态需相同
且各路激光 的相位差需 恒
定
为了获得相同频率
相同偏振方向的光源
需要利用主 振荡功率 放 大
的方式从 单 一种子激 光
中
国
激
光
获得多路高功率的线偏振激光输出
为了获得光束质量高的相干合成输出
需要各路光束的占空比尽量高
为了获得稳定的干涉
需要对各路光束进行锁相控制
光纤激光相干合成的主要 研究对象如 表
所示
实
际上
相干合成光强与单路激光的空间位置
激光功率
偏振态
线宽
光程 差
倾斜波前
高阶波前畸 变和相
位噪声等因素都有关
在相干合成中
需要研究的关键技术包括线偏振窄线宽光纤放大器
高占空比孔径填
充和多光束综合控制
表
光纤激光相干合成的主要研究对象
A
m
ω
x
m
y
m
θ
m
φ
t
m
φ
a
m
φ
p
m
t
r
研究现状
31
线偏振窄线宽光纤放大器
在光纤放大器中
可以使用两种方法实现线偏振光纤激光输出
基于全保偏光纤器件搭建线偏振光
纤放大器
利用器件的偏振保持特性实现线偏振光的输出
基于偏振自适应补偿
在非保偏放大器中通过
偏振控制实现高消光比的线偏振激光输出
基于全保偏光纤器件的线偏振光纤放大器
利用全保偏光纤器件实现单频或窄线宽激光输出是实现相干合成的主要技术途径
表
为线偏振单频
放大器的典型研究结果
尽管单频激光的相干长度较长
对相干合成的光程差控制要求较低
但受到受激布
里渊散射
的限制
目前最高输出功率是基于空间结构实现的
能够有效用于 相干合成的 全
光纤结构单频激光器的输出功率则停留在约
为了获得更高功率的线偏振激光输出
一般需要展
宽种子激光的谱线来研究窄线宽光纤放大器功率提升的能力
表
线偏振单频光纤放大器典型研究结果
M
窄线宽放 大 器通过展 宽 种子激光 的 光谱抑制
但为了保 证 相干长度
又需要尽 量 压缩谱线 宽 度
表
为线偏振窄线宽放大器的典型实验结果
由表
可知
线偏振窄线 宽放大器的 输出功率与 单频放大
器相比有明显提升
但是目前输出功率也仅 限于
以内
与常规宽谱 激光器输出 功率
量级
中
国
激
光
相比
仍有较大差距
年
美国
公司实现了大于
的线偏振窄线宽光纤激光输出
使用
保偏光
纤合束器实现抽运光和信号光的耦合
将纤芯
包层直径分别为
的大模场掺镱光纤作为增益
介质
实现了放大器的全光纤化和全保偏化
抽运功率为
时
激光输出功率为
激光线宽
为
光束质量
M
表
线偏振窄线宽光纤放大器的典型实验结果
M
年
本课题组采用三级主振荡功率放大结构
将纤芯
包层直径分别为
的保偏掺镱
光纤作为主放大级增益介质
当最高抽运功率为
时
获得了
的线偏振窄 线宽激光输 出
光
束质量
M
由于模式不稳定效应的产生
当激光功率大于
时
偏振度从大于
降低到
输出激光功率也存在一定的起伏
年
本课题组报道了输出功率为
的线偏振窄 线 宽光纤放 大 器
放大器的 线 偏振单频
种子激光经过预放后
通过三级级联相位调制将光谱展宽
窄线宽种子激光经过三级放大后输出
其中主放
采用纤芯
包层直径分别为
的保偏掺镱光纤作为增益介质
在总抽运功率为
时
总
输出功率为
光束质量
M
激光线宽为
消光比为
基于偏振补偿的线偏振光纤放大器
光纤中线偏振光的
增益是非线偏振光
增益的
倍
线偏振激光的受激拉曼散射增益则是
非线偏振激光的
倍
实验发现
非保偏光纤放大器的模式不稳定阈值明显高于保偏光纤放大器的模式
不稳定阈值
因此
采用偏振控制方法
在非保偏放 大器中实现 高消光比的 线偏振激光 也成为可相 干合
成窄线宽放大器的重要研究方向之一
图
基于偏振控制光纤放大器的相干合成实验装置
年
美国诺斯罗普
格鲁曼公司将通信中的偏振控制技术
引入到高功率非保偏光纤放大器系
统中
开展了光纤激光的自适应偏振控制实验
并将偏振控 制后的线偏 振激光用于 相干合成
系统结构
如图
所示
功率为
的
种子激光光
经过调制频率为
的相位调制后被分为
路
其中第
路激光经 相 位 调 制 器
光 纤 延 迟 线
偏 振 控 制 器
后 由 非 保 偏 光 纤 放 大 器 放 大 到
放大输出激光经偏振分束器分为两束
一束光经衰减后输出
另一束光为偏振控制系统提供反馈
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