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采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合成为远场单一主瓣光束是一种实现高功率和高亮度相干合束的技术方案。以5×5和32×32二维相干激光阵列为例进行了理论模拟分析,同时分析了逆达曼光栅相干合束实验中相位板相位误差、逆达曼光栅对准误差和放置角度误差对合束效率的影响。理论分析及数值模拟计算结果表明,逆达曼光栅可用于相干激光阵列合束,但误差对相干激光阵列合束效率有较大的影响。因此,在实验中乃至发展基于逆达曼光栅的高功率激光器系统时,需要减小相位补偿板的相位加工误差,精密调节逆达曼光栅的位置,以减小误差对于合束效率的影响。
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书书书
第
31
卷
第
12
期
光
学
学
报
Vol.31
,
No.12
2011
年
12
月
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,
2011
二维激光阵列逆达曼光栅相干合束理论研究
李
兵
闫爱民
吕笑宇
孙建锋
刘立人
(中国科学院上海光学精密机械研究所,中国科学院空间激光通信及检测技术重点实验室,上海
201800
)
摘要
采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干 的 阵 列 激 光 合 成 为 远 场 单 一 主 瓣 光 束 是 一 种 实 现 高 功 率
和高亮度相干合束的技术方案。以
5×5
和
32×32
二维相干激光阵列为例进行了理论模拟分析,同时分析了逆达
曼光栅相干合束实验中相位板相位误差、逆达曼光栅对准误差和放置角度误差 对 合 束 效 率 的 影 响。 理 论 分 析 及 数
值模拟计算结果表明,逆达曼光栅可用于相干激光 阵 列 合 束,但 误 差 对 相 干 激 光 阵 列 合 束 效 率 有 较 大 的 影 响。因
此,在实验中乃至发展基于逆达曼光栅的高功率激光器系统时,需要减小相位补 偿 板 的 相 位 加 工 误 差,精 密 调 节 逆
达曼光栅的位置,以减小误差对于合束效率的影响。
关键词
光栅;相干光学;相干合束;合束效率;逆达曼光栅;误差分析
中图分类号
O438
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
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犗犆犐犛犮狅犱犲狊
050.1950
;
140.3298
;
070.5040
收稿日期:
20110527
;收到修改稿日期:
20110706
基金项目:国家自然科学基金(
60907006
)资助课题。
作者简介:李
兵(
1986
—),男,博士研究生,主要从事信息光学和相干合束等方面的研究。
Email
:
tai
j
izon
g
shi0
@
siom.ac.cn
导师简介:刘立人(
1942
—),男,博士,研究员,博士生导师,主要从事激光技术和光学信息领域等方面的研究。
Email
:
lirenliu
@
mail.shcnc.ac.cn
通信联系人。
Email
:
y
anaimin
@
siom.ac.cn
1
引
言
高能激光 在医学、激 光核聚 变和高 能激光 武器
等领域的应用越来 越 广,并且 这些 应 用对 激 光束 的
质量要求越来越高,因此如何得到高功率、高质量的
激光束成为一项 重 要的 研 究课 题。 然而,单一激 光
器由于自身的缺陷,如增益饱和、热效应和非线性效
12050011
光
学
学
报
应等,其输出功率的提高受到了限制。因此,通过对
激光阵列输出光束 进 行相 干 合束 来 获得 高 功率、高
质量的激光束是一种非常有效的方法
[
1
]
。
研究人员提出了多种激光阵列的相干合束技术
方案
[
2
]
,如
Andere
gg
等
[
3
]
提 出 的 主 振 荡 功 率 放 大
(
MOPA
)方 案,
Morel
等
[
4
]
提出 的 外腔 相 干合 束 方
案
,
Corcoran
等
[
5
]
提出的自 傅 里叶 腔 相干 合 束方 案
等
。然而在这些合 束方 案 中,锁相 阵列 的 远场 旁 瓣
中存在着很大一部 分 的能 量,这不 可 避免 地 引起 光
束质量以及合束效率的下降。
利用二元衍射光学元件进行孔径填充的技术
[
2
]
是上述问题的一种有效解决方案。二元衍射光学元
件具有结构简单、体积小、衍射效 率 高、成本 低及 易
于大面积加 工 的 优 点
[
6
]
。 例 如,
Liu
等
[
7
]
利 用 分 数
泰伯自成像效应,在 锁相 阵 列后 泰 伯距 离 上放 置 相
位补偿板,实现了相干 激光阵 列的孔 径装填,得 到
了远场单一主瓣。
Le
g
er
等
[
8
]
用一维 结构相 位光 栅
实现 了
6
个
AlGaAs
二 极 管 激 光 器 的 阵 列 相 干 合
成。上述技术只适用于振幅二值分布而且可以连续
周期排布的激光阵 列,但对 于 振幅 连 续分 布 的激 光
光束(如高斯光束)并不适用,而且对于较大单个孔
径尺度的阵列要求有较长的衍射距离。
达曼光栅 是一种 二值相 位型光 栅,在入 射光照
射下可以产生一 定 数目 的 等光 强 光斑 阵 列
[
6
,
9
]
。由
光束可逆原理,利用达曼光栅的分束作用,将相干激
光阵列视为等光强光斑阵列,经傅里叶变换后(即透
过一傅里叶变换透镜),经逆达曼光栅对光场进行相
位调制,消除其相位分布的不均匀性,即可实现激光
阵列相干合 束,得 到 远 场 单 一 主 瓣 的 高 亮 度 光 束。
理论分析和实验结果表明
[
10
,
11
]
,逆达曼光栅可以 有
效地实现阵列激光的相干合束。
合束效率是评价合束方案最终效果的一个非常
重要的参数,其定义 一般 为 合束 后 远场 中 心主 瓣 功
率与入射激光 阵列 总 功率 的 比值。理 论分 析 表明,
理想情况下逆达曼光栅的合束效率与达曼光栅的分
束效率是一致的
。逆达曼光栅需要对透镜之后的光
进行相位调制
,消除其光场相位的不均匀性,在达曼
光栅分束效率
100%
的理想情况下 即逆达 曼光栅 的
合束效率也 为
100%
时,逆 达 曼 光 栅 与 合 束 后 的 光
场相位分布完全匹 配,从而 将 完全 消 除透 镜 后光 场
的不均匀性。然而 在 实际 的 合束 实 验中,逆达曼 光
栅放置位置的偏移误差会影响其与光场相位分布的
匹配,从而影响对光场不均匀性的消除,最终对合束
效率产生影响。本 文 采用 数 值模 拟 方法,对光栅 放
置位置误差对于合 束 效率 的 影响 进 行了 分 析,这对
实际实验及开发基于逆达曼光栅阵列合束的高功率
激光系统具有一定的实际意义。
2
理论模型与实验验证
2.1
理论模型及数值模拟
2.1.1
理论模型
应用 逆达曼 光栅合 束的设 计方案 如图
1
所示。
相位板和逆达曼光栅分别放在傅里叶透镜的前后焦
面。锁相相干激光 阵 列经 相 位板 后,相位 进 行了 预
调制,然后经过傅里叶变换透镜进行傅里叶变换,由
在后焦面的逆达曼 光 栅进 行 相位 补 偿,最终 可在 远
处获得单一主瓣的光束。
图
1
逆达曼光栅相干激光阵列合束示意图
Fi
g
.1 O
p
ticalconfi
g
urationforcoherentbeamcombinationusin
g
con
j
u
g
ateDammann
g
ratin
g
达曼光栅可以用来产生一维或者二维的等光强
光斑阵列。通过优化设计达曼光栅一个周期内的亚
周期相位结构,可以得到高分束效率、高光强以及高
均匀度的光斑阵 列。 考虑 到 光栅 的 周期 性,达曼 光
栅的透射率函数可以表示为
犜
DG
(
狓
,
狔
)
=
ex
pj
∑
∞
犿
=-
∞
∑
∞
狀
=-
∞
Δ
(
狓
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犿犜
狓
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狔
[ ]
) , (
1
)
12050012
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