相干合成技術

相干合成的技術方案按是否通過外界手段來干預探測並校正相位誤差可分為主動式的閉環有源相位控制和被動式的自組織鎖相運行雷射器陣列兩大類。

基本介紹

• 中文名：相干合成技術
• 外文名：coherent beam combination

1 背景

大功率雷射器在雷射切割、雷射焊接和作為雷射武器等領域裡具有廣泛的套用前景, 研製大功率高質量的雷射器越來越受到各國政府的重視。化學雷射器、固體雷射器和光纖雷射器作為高能雷射器的實現途徑都己經取得了一定的研究成果。氟化氖(D F ) 和氧碘( C O I L ) 兩種化學雷射器的輸出功率分別達到了兆瓦級和十萬瓦級 , 但是其龐大的體積和質量始終是推廣套用的巨大瓶頸。

固體雷射器以其高效率、小體積、高可靠性、易於維護和較好的輸出光束質量等諸多優點得到了許多人的青睞, 美國的利弗莫爾國家實驗室於2004 年5月實現了平均輸出功率約30 kw 的固體熱容雷射器。但是固體雷射器所面臨的散熱困難、存在熱致雙折射和熱透鏡效應等問題始終是其向大功率發展的重大障礙。

摻臆雙包層光纖雷射器是高功率雷射器家族中的新生寵兒, 與傳統的能夠輸出高功率的化學雷射器、固體雷射器相比, 具有結構簡單、散熱效果好、轉換效率高、抽運閉值低等優點,目前單根光纖能夠輸出的最高功率為1 9 60 w, 光束質量因子為1.2。但高功率密度導致的對纖芯及端面的光學損傷和熱損傷以及光學非線性效應卻是光纖雷射器向高功率方向發展的難題。總之, 通過單台雷射器實現高功率輸出的方案一般都存在一些中低功率雷射器所沒有(或很小) 的間題: 光束質量變差; 雷射器系統的穩定性降低; 散熱變得困難和複雜; 高功率密度導致的對工作介質的光學損傷和熱損傷; 光學非線性效應等。

雷射束相干合成技術最早始於二十世紀80 年代初對半導體雷射器鎖相陣列的研究, 後來們在二極體泵浦的固體雷射器中實現了多束雷射的相干合成, 最近幾年來各國研究人員對光纖雷射器的相干合成給予了極大的關注, 提出了多種合成方案, 並做了一些理論研究工作。,已實現商品化並得到套用的只有半導體雷射器鎖相列陣, 其它類型雷射器的相干合成尚處於實驗室研究階段, 有待於進一步開展這方面的研究工作。最近幾年迅猛發展的光纖雷射器具有以往雷射器無法比擬的優勢, 各國政府都對它給予了特別的關注並投人了大量的人力和財力進行研究,但是要將光纖雷射器的輸出功率提高到更高水平以便獲得更廣泛的套用, 多束光纖雷射的相干合成被認為是達到這一目的的必由之路。

2 相干合成的技術方案

相干合成的技術方案按是否通過外界手段來干預探測並校正相位誤差可分為主動式的閉環有源相位控制和被動式的自組織鎖相運行雷射器陣列兩大類

閉環有源相位控制

閉環有源相位控制方案一般採用MOPA 結構, 它是一種主動式的有源相位校正技術, 一般主要由種子源或稱主振盪器、聲光移頻器、1 x N 的光纖藕合器、

光纖功率放大器、光電探測器和相位調製器等器件組成, 中間還需要一系列的準直、對齊和分光組件, 如透鏡、分束器等. 其基本原理是主振盪器的輸出雷射被分為多束, 引出其中一束經聲光移頻器後作為參考光波, 其餘各束進行功率放大, 利用外差法探測各光纖功率放大器的輸出光波與參考光波的相位差, 根據所探測的相位差實時控制相位調製器以實現對相位誤差的實時校正, 進而達到鎖相運行的目的. 方案難度在於實現合成陣列中多路的實時相位檢測(感測) 與相位校正比較困難, 隨著合成路數的增加, 它將需要的大量高靈敏度的光電探測器和相位調製器以及相應的高速控制電路, 系統將變得複雜且龐大; 另外, 各路合成雷射的偏振態不易控制, 目前解決此間題的辦法就是採用保偏光纖放大器, 製作大功率的保偏光纖放大器具有相當的難度; 最後, 製作高質量(單頻單模單偏振) 的種子源雷射器也不是一件易事。2 0 03 年, 美國NorthorpGruan空間實驗室採用此方案通過7 束155 W 光纖雷射的相干合成獲得了1 k w 的總輸出功率。國防科技大學採用此方案於2 0 05 年在國內首次實現了3 束光纖雷射的相干合成。

自組織鎖相運行雷射器陣列

自組織鎖相運行是一個被動式的無源自調整過程。自組織鎖相一般需要形成新的複合腔, 從而引入新的選模機制, 通過陣列中各單元間的相互影響, 能量相互注入藕合, 最終整個陣列以自組織出的公共模運行。通過自組織機理實現鎖相的陣列一般需要具有以下特點: 寬增益頻寬; 低Q 值;具有共同的本徵模. 以自組織機理實現相干合成主要有以下五種表現形式。

?>增益介質間的倏逝波輻合

對於複合陣列波導, 它可以是半導體雷射器陣列、多點抽運固體雷射器或多芯光纖等的簡化模型, 當各個平行波導之間的距離較近, 各自進入鄰近波導倏逝場所在的區域時, 一個波導模的存在會對另一個波導模構成擾動, 原先波導中的本徵模式不再相互獨立, 而是產生了藕合, 進而形成了一種集體參與振盪的模結構, 這種由於倏逝場藕合在複合陣列波導中產生的本徵模又叫超模。

固體雷射器

文獻中研究了固體雷射器通過倏逝波藕合實現鎖相運行的過程。二單元的N d: A 雷射器通過倏G逝波藕合實現了穩定的相位鎖定。當被激發的有源增益介質間的距離小於0 0 1拼時m, 相位鎖定被明顯地觀察到了.陣列單元間的禍合強度可以通過調整泵浦光的位置連續改變, 這使得可以在一個很寬的禍合強度範圍內觀察相位鎖定。作者還指出, 只要藕合強度大到可以確保鎖相的發生, 快速的鎖相過程將不再依賴於藕合強度的大小。

多芯光纖

多芯雙包層光纖(D ou bl e d ad id gn m ul it co er if be r ) 在較大尺寸的內包層中有多個摻纖芯, 每個纖芯的直徑、摻雜濃度等均相同, 纖芯間的距離很近, 且均為單模。由於各纖芯內振盪雷射倏逝波之間的藕合, 使得各纖芯受激發射的雷射相互作用, 達到鎖相輸出的目的.文獻中採用有限元方法計算了多芯光纖(M C )F 中由於倏逝波禍合形成的超模, 以反射鏡或光纖布拉格光柵、泰伯腔和準直透鏡加高反鏡三種通常使用的反饋機制分別作為邊界條件, 對7 芯和19 芯光纖運用速率方程理論分析了多芯光纖雷射器中的模式競爭和選擇機制。對於泰伯外腔和準直透鏡加高反鏡的情形, 由於衍射藕合使得不同的超模具有不同的反饋係數, 最終系統選擇某一占主導地位的鎖相超模而運作。

光予晶體多芯光纖

光子晶體光纖( P C )F 又叫微結構光纖或多孔光纖, 它由固態玻璃纖芯和包含大量周期性分布的空氣孔的包層組成, 或者是在玻璃基材料上形成低的有效折射率的孔。

文獻報導了6 核和7 核結構的光子晶體光纖雷射器通過倏逝波藕合實現了穩定的相位鎖定。使用多散射方法模擬了單個芯核的模式特性, 在芯核呈環形分布情況下, 運用藕合模理論分析並得到了相位鎖定態下的傳導模一超模, 利用泰伯外腔進行超模選擇獲得了一個完全的鎖相超模以及1.1 倍的近衍射極限的高質量雷射束。該雷射器工作在此鎖相模下的輸出功率為4 W, 相應的斜率效率為70 %。

衍射藕合

利用衍射藕合進行模式選擇的外腔可以分為兩種: 一是基於近場菲涅耳衍射的泰伯外腔; 二是基於遠場夫琅和費衍射的自傅立葉變換腔。兩種外腔均可實現雷射束的相干合成, 均是被動禍合技術。兩者最顯著區別是S F 腔具有傅立葉透鏡, 該透鏡將各單元的光集中反饋到陣列的中心, 窄化了反饋回的基模高斯光束的包絡, 減少了反饋光在陣列邊緣的溢出, 因而降低了腔損耗, 提高了藕合效率和模式鑑別能力。泰伯腔是將衍射自成像形成的空間光斑反饋回原雷射器陣列, 而S F 腔是將雷射器陣列的遠場光斑反饋回原陣列, 雖然實際情況中我們通常保持遠場光斑就是原陣列的像。

近場菲涅耳衍射一泰伯效應

周期性光場分布的衍射自成像稱為泰伯效應。當泰伯條件滿足時, 周期性光場的振幅分布會在泰伯距離處再現原來的光場振幅分布, 在(半) 泰伯距離處放置一個反射鏡可以反饋光有效地藕合進原來的陣列波導。由於一般泰伯腔的長度較短, 而且對腔長的精度有較高的要求。為了方便泰伯腔的調節, 可以增加泰伯腔的長度。考慮到同時滿足泰伯條件的要求, 需要增加陣列單元間的距離。

3主動鎖相相干合成技術

反饋控制部分是相干合成系統中的核心，用於同步監測相干合成系統的作用效果，並根據情況做出實時的校正，使系統始終處於最最佳化狀態。適用於相干合成的主動鎖相方法主要有外差法、多抖動法、最佳化算法、峰值比例算法和條紋提取算法等多種，本節主要針對多抖動法和 SPGD 法進行討論，為了避免引入複雜的問題，相關實驗均在瓦量級功率水平下進行。

多抖動法相干合成

多抖動法最早是用於自適應光學的一種控制方法。2000 年，美國 HRL 實驗室首次採用該方法實現了五路光纖放大器的相干合成。2006 年，M. Shay 等人改進了相位調製方式，實現了 9 路光束的相干合成，輸出總功率達到百瓦量級。本節將通過描述低功率條件下基於多抖動法的板條雷射放大器相干合成實驗情況，初步介紹相干合成實驗的現象及基本分析方法。

多抖動法相干合成原理

多抖動法的基本原理類似於調相(PM)收音機，它首先對參與合成的各路光束進行不同頻率的高頻小幅相位調製，即提供載波；各光束的相位誤差則相當於施加在載波上的調製信號；合成後測量多光束的干涉引起的強度起伏，再利用與載波同頻信號進行相關處理，即進行解調；就可以提取出的各光束相位誤差並加以處理產生控制信號對各路光束的相位進行校正，實現鎖相輸出。

高光束質量、單頻、線偏種子光經過分束，再通過相位調製器之後入射各單元雷射放大鏈路；各單元輸出雷射經合束拼接後由一高反鏡發射，部分雷射透射，作為採樣光來產生控制信號；系統中控制電路起兩個作用，一是生成高頻小幅載波信號（調製），二是根據探測系統反饋的信息計算補償信號（解調），並將解調的相位信息與載波信號一起作用於相位調製器。