第32卷第4期激光技術(shù)Vol. 32 ,No.42008年8月LASER TECHNOLOGYAugust, 2008文章編號(hào): 1001-3806(2008 )04-0413-04光纖激光相干合成與譜合成的比較周樸,侯靜,陳子倫,劉澤金(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410073)摘要:相干合成和譜合成是兩種不同的光東合成方案,近年來(lái)均取得了顯著進(jìn)展。為了比較系統(tǒng)地研究這兩種新興的光東合成技術(shù),從光纖激光器的基本要求關(guān)鍵技術(shù)、可擴(kuò)展性、光束質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性和光束控制等6個(gè)方面,對(duì)目前已經(jīng)獲得高功率且有望獲得更高功率輸出的兩種典型方案進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明,基于主振蕩功率放大器結(jié)構(gòu)的相干合成方案和譜合成方案均難以同時(shí)獲得高功率高光束質(zhì)量的激光輸出。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合,需要在高功率和高光束質(zhì)量中選擇較好的平衡點(diǎn)。關(guān)鍵詞:激光技術(shù);相干合成;譜合成;相位噪聲;光柬質(zhì)量中國(guó)分類號(hào): 0436文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: AComparison for coherent combining and spectrum combining of fiber lasersZHOU Pu ,HOU Jing ,CHEN Zi-lun ,LIU Ze-jin(College of Optoeletric Science and Engineering,National University of Defense Technology ,Changsha 410073 ,China)Abstract: Signifcant progree has been recently reported on beam combination of fiber laser arrays using coherent combiningand spectrum combining technology. Analyzing the basic requirement for the fiber laser，key technology , number scalability, beamquality ,system stability and beam steering comes to a comparative study on these two technologies. The results show coherentcombining using master osilltlor power- ampliferfiber arays configuration and spectrum combining cannot give high power laserbeam with good beam quality at the same time that we have to balance the pros and cons of each technology for diferent application.Key words: laser technique ;coherent combining; spectrum combining;phase noise ;beam quality軍提出了輸出功率為10kW的解決方案[9]。引言因物理機(jī)制的不同,相干合成和諧合成的光學(xué)系統(tǒng)光纖激光器是近年來(lái)光電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由性能也不一致,故導(dǎo)致應(yīng)用范圍的差異。如主動(dòng)照明要于摻雜光纖的非線性效應(yīng)、光學(xué)損傷熱損傷等物理機(jī)求盡可能小的散斑效應(yīng),譜合成就是較合適的方案;而制的限制,單根光纖激光器的輸出功率有限"”。為了獲對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)等領(lǐng)域,相干合成是首選。目前國(guó)內(nèi)對(duì)得高功率高光束質(zhì)量的激光輸出,對(duì)多個(gè)光纖激光器于這兩種合成技術(shù)的報(bào)道大都限于對(duì)原理和國(guó)外文獻(xiàn)的輸出光束進(jìn)行合成是- -種有效的方法。目前人們已的簡(jiǎn)單介紹,缺乏對(duì)它們的比較研究。國(guó)外也僅有2篇經(jīng)提出了多種光束合成的方案[24)。其中相干合成5]與文獻(xiàn)進(jìn)行了初步的比較[ 01 ,而對(duì)一些具體的技術(shù)指標(biāo)譜合成[回]是研究得最多的兩種。諾格公司研究的基于沒(méi)有進(jìn)行深人討論。作者擬對(duì)這兩種光纖激光器合成主振蕩功率放大器( master oscillator power ampliferfiber方案進(jìn)行深入比較,以期獲得-些有用的結(jié)論。arays,MOPA)結(jié)構(gòu)的相干合成方案目前已經(jīng)取得了1相干合成和譜合成的基本實(shí)現(xiàn)方案470W高功率激光輸出”,該方案也獲得了美國(guó)國(guó)防部基于MOPA結(jié)構(gòu)的相干合成方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)高能技術(shù)聯(lián)合辦公室和美國(guó)空軍的資助。Aculight 公司構(gòu)如圖1所示。主振蕩器的種子激光被分成多束子光研究的譜合成方案也已獲得258W高功率激光輸出8] ,移相器該公司還為美國(guó)國(guó)防部高能技術(shù)聯(lián)合辦公室和美國(guó)海準(zhǔn)直器分束鏡基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目尹李(60608008) ;國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研資助項(xiàng)目(JC05-07-04)放大器作者簡(jiǎn)介:周樸(1984-),男,博士研究生,主要 從事光.中國(guó)煤化工纖激光器方面的研究。E-mail:jnck621@ 163. comMYHCNMHG收稿8期:2007-04-02;收到修改稿日期:2007-10-11圖1 MOPA 方案實(shí)現(xiàn)原理圖光支術(shù)2008年8月束,然后對(duì)每路子光束都進(jìn)行兩級(jí)放大,最后對(duì)這些放況看,相位噪聲的產(chǎn)生主要分為兩個(gè)階段:其一是暫態(tài)大的子光束通過(guò)一一個(gè)準(zhǔn)直器陣列整合成一束輸出。其過(guò)程,即在開(kāi)關(guān)閉合后短暫的工作過(guò)程;其二是穩(wěn)態(tài)過(guò)中種子光還要另外引出一路作為參考光。利用外差法程,即激光器工作處于穩(wěn)定的狀態(tài),系統(tǒng)達(dá)到熱平衡。探測(cè)每一路輸出光束與參考光束的相位差,實(shí)時(shí)控制文獻(xiàn)[ 12]中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,當(dāng)陣元輸出光功率相位控制器調(diào)節(jié)所有子光束的相位一致，達(dá)到相干合為10W時(shí),毫秒時(shí)間段內(nèi)相位變化達(dá)到波長(zhǎng)的1/10成、鎖相輸出的目的。量級(jí)。為了獲得高質(zhì)量的光束輸出,就要求控制系統(tǒng)譜合成方案的基本原理如圖2所示。該方案的核的響應(yīng)時(shí)間小于1ms。隨著輸出功率的增大,相位變>輸出鏡化會(huì)更加劇烈。陣元的相位控制是基于MOPA結(jié)構(gòu)久的相干合成方案的難點(diǎn)所在。譜合成方案要求各激光器單元的出光波長(zhǎng)不-.光纖激光器透鏡致,從而利用衍射光柵將其合成- -束激光輸出,這可以光柵通過(guò)設(shè)計(jì)合適的衍射光柵和諧振腔來(lái)實(shí)現(xiàn),屬于工藝上的問(wèn)題。譜合成的關(guān)鍵在于衍射光柵的設(shè)計(jì)。由于圖2譜合成方案實(shí)現(xiàn)原理圖激光器的輸出光不可避免地具有一定的線寬,術(shù)射時(shí)心技術(shù)是制作一個(gè)全息光柵,光柵將不同角度人射的會(huì)出現(xiàn)光束的擴(kuò)展,因此，需要設(shè)計(jì)補(bǔ)償光柵來(lái)補(bǔ)償因不同波長(zhǎng)的激光合成--束,使得各單元激光器發(fā)出的線寬導(dǎo)致的光束擴(kuò)展[6]。另外,光柵上的熱效應(yīng)也會(huì)光束在空間重疊(包括遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)和近場(chǎng)區(qū))。該方案要影響合成效果,在LOFTUS等人的實(shí)驗(yàn)中[8) ,最高功率求各單元激光的波長(zhǎng)有差異,輸出的激光包含多個(gè)頻密度為1. 5kW/em2的激光會(huì)使衍射光柵發(fā)生0.1個(gè)率成分,但是整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率得到了提高。波長(zhǎng)量級(jí)的變形,從而使得激光器的線寬增大。采用譜合成方案需要設(shè)計(jì)在高功率情況下具有高損壞閾值2比較研究并具有低熱變形的光柵。2.1基本要求2.3可擴(kuò)展性基于MOPA結(jié)構(gòu)的相干合成與譜合成最根本的光纖激光器合成方案的可擴(kuò)展性決定了合成光束區(qū)別在于它們對(duì)于激光器單元的輸出光束分別進(jìn)行電的功率量級(jí),從而影響到該方案的實(shí)用范圍。前面已場(chǎng)矢量疊加和光強(qiáng)的簡(jiǎn)單疊加,因此對(duì)光纖激光器單經(jīng)提及,對(duì)于基于MOPA結(jié)構(gòu)的相干合成方案,關(guān)鍵元的要求不盡相同,如表1所示。在于高功率光纖激光器的相位控制。如果這項(xiàng)技術(shù)能表1相干合成和譜 合成對(duì)光纖激光器單元的基本要求[)]夠?qū)崿F(xiàn)則能很方便地?cái)U(kuò)展到多束激光相干合成。基性質(zhì)譜合成.相干合成于此,美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室提出了激光系統(tǒng)的新技術(shù)和新頻譜各激光器的頻譜互不相同各徽光器的頻諧一致結(jié)構(gòu)14-15)。這種結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上就是一種光纖激光的相相位差無(wú)限制實(shí)時(shí)控制各數(shù)光器輸出光束相位一致控陣,它利用了光纖激光器的固有優(yōu)勢(shì),用光纖激光器偏振實(shí)時(shí)控制各激光器的偏撅方向一致代替其它類型的激光器,并通過(guò)單獨(dú)控制單根光纖激振幅控制需要實(shí)時(shí)控制光器的相位,使得每一根光纖激光器的輸出光束相位保持一致,從而獲得高效率的高能激光輸出。在這樣總體說(shuō)來(lái),相干合成對(duì)光纖激光器單元的要求十的結(jié)構(gòu)中,每一根光纖激光的輸出相位都可以單獨(dú)控分嚴(yán)格,而譜合成僅要求各單元的出光波長(zhǎng)不相同,因制,這樣不僅僅可以獲得高能激光,還可以控制光束的此,譜合成對(duì)光纖激光器的基本要求相對(duì)寬松。方向、補(bǔ)償激光傳輸過(guò)程中的相位畸變等。光纖激光2.2關(guān)鍵技術(shù)器相控陣可以級(jí)聯(lián),能夠?qū)崿F(xiàn)10kW ,100kW甚至更高基于MOPA結(jié)構(gòu)的相干合成方案屬于主動(dòng)鎖相功率的高能激光輸出,如圖3所示[14]?？梢?jiàn)該方案有技術(shù),需要對(duì)結(jié)構(gòu)中陣元的相位進(jìn)行獨(dú)立控制,這就要著較好的可擴(kuò)展性。約100kW求處理陣元相位噪聲。光波波段的相位控制難度較約10kW大[12),因?yàn)橐@得高的光束質(zhì)量,要求光纖激光器陣中國(guó)煤化工喲亞業(yè)明列的波前誤差在波長(zhǎng)的1/10范圍之內(nèi)10.3,而光波MYRCNMHG的波長(zhǎng)僅為微米量級(jí)。隨著發(fā)射源的增多,對(duì)相位控圖3級(jí)聯(lián)光纖徽光器獲得鬲功事教光制的要求會(huì)更加苛刻。譜合成方案的可擴(kuò)展性面臨著一個(gè)問(wèn)題:衍射光相位噪聲的產(chǎn)生機(jī)制非常復(fù)雜,從實(shí)驗(yàn)報(bào)道的情柵的頻譜范圍是有限的,需要在這有限的范圍內(nèi)保證第32卷第4期周樸光纖激光相干合成與譜合成的比較415盡可能多的激光器單元數(shù)。為了達(dá)到上述目的,每個(gè)穩(wěn)定性不如譜合成方案。相干合成方案的本質(zhì)在于:激光器單元的輸出光束需要保持微量的波長(zhǎng)差,而且不同激光器單元的出射光東在傳輸?shù)倪^(guò)程中彼此千這種波長(zhǎng)差還要求能夠被分辨[61,這對(duì)諧振腔的設(shè)計(jì)涉,從而在遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)處獲得較高的峰值功率密度。根提出了較高的要求。無(wú)論體系設(shè)計(jì)如何緊湊,衍射光據(jù)多光束千涉理論,遠(yuǎn)場(chǎng)峰值功率密度是和激光器單柵的有限頻譜范圍決定了譜合成方案在理論上也不可元數(shù)目N的平方成正比的。然而當(dāng)外界存在嚴(yán)重的能無(wú)限擴(kuò)展。文獻(xiàn)[11]中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明他們干擾,導(dǎo)致相位控制器不能保持所有光束的相位- -致,采用的衍射光柵僅能對(duì)10根光纖激光器的輸出光束或者部分激光器單元損壞無(wú)法正常工作,或者激光器進(jìn)行合成。單元輸出光束的功率大小不--時(shí),均有可能造成遠(yuǎn)場(chǎng)2.4光束質(zhì)量中心峰值偏移,峰值功率密度急劇下降,導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法光束合成的目的除了獲得高功率的激光輸出之外，正常運(yùn)行。而譜合成方案由于采用衍射光柵獲得了一還期望能獲得良好的光東質(zhì)量?；贛OPA結(jié)構(gòu)的相束激光,因此受激光器相位、振幅的影響很小,并且峰干合成方案由于光纖激光器單元在空間上是分離的,因值功率密度是和激光器單元數(shù)目N成正比,即使部分而不可能獲得達(dá)到衍射極限的光束輸出“"。該方案的激光器單元損壞，整個(gè)系統(tǒng)依然能夠正常運(yùn)行,只是峰輸出光束與高斯光東大不相同,相當(dāng)-部 分的能量集中值功率密度有所下降。在高頻分量里(7-18]。另外,相位控制得不好13]、激光器2.6光束控制單元出光功率的不-致(包含部分激光器單元無(wú)法正常在光束控制方面,基于MOPA結(jié)構(gòu)的相干合成方工作的情形)(10]均會(huì)對(duì)影響光束質(zhì)量。案和譜合成方案均能使得光束控制擺脫傳統(tǒng)的機(jī)電傳譜合成方案通過(guò)設(shè)計(jì)合適的衍射光柵使得每一一個(gè)動(dòng)方式,實(shí)現(xiàn)靈巧、輕便、快速的光束控制。相干合成光纖激光器單元的輸出光束在空間上重合。對(duì)于線寬方案的光束控制類似于相控陣?yán)走_(dá),通過(guò)控制相控陣引起的光束擴(kuò)散可以通過(guò)設(shè)計(jì)補(bǔ)償光柵加以消除,而中的各激光器單元發(fā)射光束的相位,可以使得一-束或合適的光學(xué)設(shè)計(jì)可以使得光柵的衍射效率在95%以多束高強(qiáng)度光束指向按設(shè)計(jì)的程序?qū)崿F(xiàn)隨機(jī)的空域掃上。因此,如果激光器單元均輸出基模光束,那么合成描。但是這種方法的有效掃描范圍和分辨率均有后的光束質(zhì)量將是相當(dāng)好的。LOFTUS 等人”實(shí)現(xiàn)了限['9],僅能實(shí)現(xiàn)有限范圍內(nèi)的抖動(dòng)式掃描。如果要實(shí)兩根百瓦級(jí)光纖激光器的譜合成,合成后的光束質(zhì)量現(xiàn)大角度的光束控制,還需要輔以其它方案。M2因子為1. 06 ,接近衍射極限。與相干合成相比,譜合成方案的分辨率要高得多。2.5系統(tǒng)穩(wěn)定性AUCST等人2]通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)譜合成系統(tǒng)中諧振腔的外腔高能激光系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往會(huì)受到很多外界鏡成功實(shí)現(xiàn)了光束控制。但是這種方法僅在一個(gè)方向因素的影響,如部分單元激光器損壞外界存在嚴(yán)重的上實(shí)用,實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)的光束控制還有一定的難度。干擾(如劇烈的震動(dòng)、抖動(dòng))、激光器單元的輸出光束2.7綜合分析特性偏離期望值等,此時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性決定了它的實(shí)綜上所述,將基于MOPA結(jié)構(gòu)的相干合成方案和用價(jià)值。相比之下,基于MOPA結(jié)構(gòu)的相干合成方案譜合成方案比較的研究結(jié)果列于表2中。表2相干合成與譜合成的比較基于MOPA結(jié)構(gòu)的相干合成方案譜合成方案基本要求.嚴(yán)格寬松關(guān)鍵技術(shù)MOPA結(jié)構(gòu)中陣元的相位控制能夠承受高功率的高分辨率衍射光柵可擴(kuò)展性無(wú)限制0]僅能對(duì)有限個(gè)單元激光器輸出光東進(jìn)行合成國(guó)光柬質(zhì)量不可能獲得達(dá)到術(shù)射極限的光束輸出共軸發(fā)射,光束質(zhì)量好(M2 -1.06@ 258w/4)穩(wěn)定性外界因素的影響有可能造成遠(yuǎn)場(chǎng)中心峰值偏移峰值功率密受單元激光器性能影響很小，即使部分激光器單元度急劇下降,導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行損壞,系統(tǒng)依然能夠正常運(yùn)行光束控制在小角 度范園內(nèi)快速、靈巧,但有效掃描范圍和分辨率均有限- -定的難度最高輸出功率目前最高輸出功率為470w/7]1中國(guó)煤化工S門光束合成數(shù)量目前最多合成路數(shù)為4路[7)YHCNMHG路2)416敫光技術(shù)2008年8月[8] LOFTUS T H,LU A P, HOFFMAN P K.at al.258W of spetrally3小結(jié)beam combined power with neardiffraction limited beam quality [J].Proe SPIE ,2006 ,6102 :61020S-1 61020S-8.將單根光纖激光器的輸出光束進(jìn)行合成,目的在[9] BROWN A. 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