（光学专业论文）多激光束自组织相干合成的理论研究.pdf

摘要 摘要 相干合成技术是获得高功率、高光束质量激光的重要方法。大规模激光相干合成 技术已经成为国内外研究的热点。这种方法避免了单个激光介质承受高功率泵浦 的热效应问题，因而在获得高功率激光输出的同时，又保证了优良的光束质量。 近年来，人们在这一领域进行了大量的研究，探索出许多相干合成的方案，但要 实现大规模激光相干组束无论从理论上还是实验的研究上，都还有大量工作要 做。本文从相干合成的基本理论出发，进行了激光相干组束结构设计的基础研究， 得出了一系列结果，为进一步的理论和实验工作打下了重要的基础。 本论文研究的内容及创新点主要包括以下几个方面： 1 首先对激光束相干合成的历史和发展现状进行综述，介绍了国内外这一领 域研究的最新进展。然后介绍和讨论了相干合成技术的主要分类和它们各自实现 相干输出的原理和主要特点，并指出通过被动锁相实现相干合成具有结构简单， 方便级联等特点使它在激光相干合成中具有绝对的优势，这也是本文的立意所 在。 2 从菲涅尔基尔霍夫衍射公式及光波场叠加理论出发，通过对现有光纤激 光器与固体激光器的两种主要组束结构，即自成像共焦腔及迈克尔逊激光腔的理 论分析，指出两种结构组束的原理、稳定输出的必要条件、应用范围及所存在的 问题。 3 针对原有两种组束结构所存在的问题，提出两种新型的组束结构。改进 的自成像腔可以提高原组束结构输出激光的光束质量，而新型的迈克尔逊激光腔 则避免了多腔选频问题，使大规模固体激光相干组束成为可能。 4 针对改进的自成像腔，采用傅里叶光学的方法对光场进行数值模拟，得出 空间滤波器的设计方法；用矩阵传输理论得出了输出镜的设计要求；用能量相互 注入两激光器增益、振幅的缓变方程得出了耦合镜及腔长的设计要求。 5 针对新型的迈克尔逊激光腔，采用矩阵传输理论对其光学稳定性，基模热 稳定性及失调稳定性进行了分析，得出满足各种稳定性的腔参数设计要求。 关键词光纤激光；固体激光；自组织；相干合成 a b s t r a c t a b s t r a c t c o h e r e n tc o m b i n i n gt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tm e t h o dt oo b t a i nl a s e rw i t hh i g h p o w e r ，h i g hb e a mq u a l i t y l a s e rc o h e r e n tc o m b i n i n gt e c h n o l o g yo fl a r g e s c a l eh a s b e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t t h i sm e t h o da v o i d st h eo n l yl a s e rm e d i u mp u m p e db y h i g h p o w e rp u m p i n gs o u r c et h a tc r e a t e st h e r m a le f f e c t s t h u s i tc a no b t a i ne x c e l l e n t b e a mq u a l i t yw i t hh i g h p o w e ro u t p u t i nr e c e n ty e a r s ，p e o p l eh a v ed o n eag r e a td e a l o fr e s e a r c hi nt h i sa r e aa n ds o m e t e c h n o l o g i e so fc o m b i n i n gc o h e r e n ta r ea c h i e v e d b u tt h e r ei ss t i l lal o to fw o r kt od oi no r d e rt oa c h i e v el a r g e s c a l ec o h e r e n tl a s e rb e a m i nt e r m so fe i t h e rt h e o r yo re x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i nt h i sp a p e r ，b a s e do nc o h e r e n t c o m b i n i n gt h e o r y , s t r u c t u r a ld e s i g no f c o h e r e n tl a s e rb e a m c o m b i n i n gi ss t u d i e d ，a n d as e r i e so fr e s u l t sa r eo b t a i n e dw h i c hl a i dt h eg r o u n dw o r kf o rf u r t h e rr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , t h ec o n t e n t so ft h es t u d ya n di n n o v a t i o nm a i n l yi n c l u d et h e f o l l o w i n g ： 1 f i r s t ，t h eh i s t o r yo fc o h e r e n tl a s e rb e a mc o m b i n i n ga n dd e v e l o p m e n ta r es t a t e d a n dl a t e s td e v e l o p m e n t si nt h i sf i e l da th o m ea n da b r o a di si n t r o d u c e d t h e nt h em a j o r c a t e g o r i e sa n dt h ep r i n c i p l e st oa c h i e v ec o h e r e n c eb e a mc o m b i n i n gi sd i s c u s s e d r e s p e c t i v e l y a n dw ep o i n t e do u tt h a ta c h i e v i n gc o h e r e n c eb e a mc o m b i n i n gb y p a s s i v el o c k i n gw i t hs i m p l es t r u c t u r ec o n v e n i e n tm a k e s i to fag r e a ta d v a n t a g e ，a n d t h i si sw h e r et h ei d e ao ft h i sa r t i c l e 2 f r o mt h ef r e s n e l k i r c h h o f fd i f f r a c t i o nf o r m u l aa n dt h ew a v ef i e l d s u p e r p o s i t i o nt h e o r y ，t h eb e a mc o m b i n i n gs t r u c t u r eo fe x i s t i n gf i b e rl a s e r sa n d s o l i d s t a t el a s e r ，n a m e ds e l f - i m a g i n gc o n f o c a lc a v i t ya n dm i c h e l s o nl a s e rc a v i t y ，i s d i s c u s s e dt h e o r e t i c a l l y a n dp o i n t e do u tt h ep r i n c i p l eo fb e a mc o m b i n i n g ，n e c e s s a r y c o n d i t i o nf o rt h es t a b i l i t yo fo u t p u t ，t h es c o p eo fa p p l i c a t i o n ，a n dt h ee x i t i n gp r o b l e m s 3 f o rt h ep r o b l e m so ft w oo r i g i n a ls t r u c t u r e ，t w on e wb e a ms t r u c t u r e sa r e i n t r o d u c e d i m p r o v e ds e l f - i m a g i n gc a v i t yc a ni m p r o v et h eo r i g i n a ls t r u c t u r eo ft h e o u t p u tb e a mq u a l i t yo f l a s e rb e a m ，a n dan e w t y p eo f m i c h e l s o nl a s e rc a v i t ya v o i d e d t h ei s s u eo fm u l t i c a v i t yf r e q u e n c y - s e l e c t i v e ，s ot or e a l i z el a r g e s c a l es o l i d s t a t el a s e r c o h e r e n tb e a mc o m b i n i n gi sp o s s i b l e 4 f o ri m p r o v e ds e l f - i m a g i n gc a v i t y ，t h ed e s i g no fs p a t i a lf i l t e rm e t h o d si s o b t a i n e db ys i m u l a t i n go p t i c a lf i e l du s i n gf o u r i e ro p t i c sm e t h o d a n dt h er e q u i r e m e n t o f o u t p u tm i r r o rd e s i g ni so b t a i nb yc o n v e xl e n st r a n s m i s s i o nt h e o r y t h er e q u i r e m e n t o fc o u p l i n gm i r r o ra n dc a v i t yl e n g t hi so b t a i n e db ya m p l i t u d es l o w l yv a r y i n ge q u a t i o n a n de n e r g yi n j e c t i o ni n t ot w ol a s e rg a i nm u t u a l l y 5 f o ran e wt y p eo fm i c h e l s o nl a s e rc a v i t y ，t h eo p t i c a ls t a b i l i t ya n dt h et h e r m a l s t a b i l i t yo fl o w e s to r d e rm o d e i sa n a l y z e db yu s i n go ft r a n s f e rm a t r i xt h e o r y ，a n d o b t a i nt h ed e s i g no fc a v i t yw h i c hs a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to fs t a b i l i t y 1 1 a b s t r a c t k e y w o r d s ：f i b e rl a s e r ；s o l i d s t a t el a s e r ；s e l f - o r g a n i z e d ；c o h e r e n tc o m b i n a t i o n ； i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：罩叁生导师签名：拉 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 激光束相干合成的历史背景 自从激光技术产生之日起，具有高平均功率和优良光束质量特性的激光系统 就是人们不断努力追求和发展的目标。为实现这一目标，有两条途径可走，第一 条途径就是通过设计优化等手段提高单个激光器的输出功率，对于适合高功率作 业的固体激光器，随着光功率的不断提高，热光效应会导致光束质量严重下降， 发展更高输出功率的固体激光器遇到了瓶颈并使研制和开发的费用极大增加。建 立高功率激光器的另一途径是采用由若干较低输出功率的激光器组成的阵列进 行组束输出，获得高功率输出的同时保持优良的光束质量，这种技术就称为激光 束的相干合成或相干组束。从一方面看，这种技术可以将现有可用的组束技术和 激光器技术结合起来，是一种技术的集成：从另一方面看，这种技术的发展又会 引出很多新奇的物理现象和物理问题，对激光科学乃至物理科学的发展具有深远 的意义。激光束相干合成技术激发了人们极大的研究兴趣，是激光科学领域内非 常重要和富有挑战性的领域。近年来人们在这一领域进行了大量的研究，探索出 许多实现相干合成的方案：但无论从理论还是实验的研究上，仍有大量工作要做。 随着激光束相干合成研究的进展，激光器阵列必然成为实现高功率、高光束质量 输出的激光系统的可行方案，在科学研究、工业生产和军事装备等领域发挥重要 作用。 自由空间光通讯要求高功率高亮度激光束，以使光束可以在较长距离内传 输。在工业领域内，可以利用高功率高亮度激光束进行切割、焊接、钻探和给各 种物品打标，而且随着激光束功率和亮度的增高，会使处理速度加快，从而节约 生产成本。这种光束也可以用来处理用现有的激光源无法处理的新的和较厚的物 质。军事上高功率高亮度激光束有几种用途：长距离照明和对准需要数百瓦的高 质量光束：高功率高亮度激光束用以摧毁敌方军事目标或使侦测仪器致盲。在激 光医疗与美容方血，功率超过几瓦的光纤激光器能够在显微外科手术中扮演重要 的角色，它能为外科手术提供较大的高能辐射源。激光束的相干合成或组束技术 在要求高功率高亮度激光束的场合下有着广泛的应用。 1 2 激光束相干合成的发展现状 激光束相干合成技术是强激光技术领域中有明显应用前景而又富于挑战性 北京t 业人学t 学硕一i ：学位论文 的课题。到目前为止，光束相干组束技术在固体激光器，半导体激光器尤其是光 纤激光器领域都越来越受到人们的重视，并且取得了很多重要的研究成果。 从可查的文献报道，这种技术丌始进行研究到现在2 0 多年的时间罩，人们探 索出许多实现相干合成的方案，特别是近几年来有关这一领域的成果层出不穷。 现在，我们就对激光束相干合成的发展历程做一个回顾。 由于这种技术的提出是为了获得高功率高亮度激光输出，所以人们自然会想 到采用固体激光器作为合成的单元；另外最近几年内包层泵浦的光纤激光器其输 出功率不断攀升，在高功率输出方面已可以与传统的固体激光器相媲美，甚至在 一定程度上超越了固体激光器，并且还因其自身的其他优点而备受人们的青睐， 所以双包层光纤激光器也可以作为合成的单元。可查的绝大部分关于激光束相干 合成的文献都是基于固体激光器和光纤激光器的，这两种激光器实现相干合成的 手段会有些不同，我们下面分别论述；另外普通光纤的相干合成和双包层光纤实 现相干合成的技术手段也有区别，也分开论述。总体说来，激光束相干合成技术 是首先在固体激光器和半导体激光器中展开研究的，后来扩展到光纤激光器中， 在研究过程中这几种介质中发展的相干合成方法又相互借鉴。 1 2 1 固体和半导体激光器实现的相干合成 最早的激光器相干合成是采用氦氖激光器，1 9 8 6 年，w i l f r i db v e l d k a m p 等 用设计的二元相位光栅将h e n e 激光器发出的光束( 波长0 6 3 3 n m ) 分为粗略相 等的7 束，然后用这7 束光分别去激发7 个激光器，最后将7 束光通过一个与前面光 栅共轭的光栅将光束合成为一束，其实验装置如图1 1 所示【l j 。1 9 8 9 年，f x d a m a t o 等将a 1 g a a s 半导体激光器阵列放入外腔中利用t a l b o t 自成像效应实现了阵 列的相干输出【2 1 。1 9 9 0 年，j m v e r d i e l l 等将注入锁定的两个半导体激光器产 生的光束在光折变晶体b a c 0 3 中通过两波耦合能量转移的方法输出近衍射极限 的光束，输出功率有1 0 0 m w 。1 9 9 6 年，m e n a r d 等报道了由两个带尾纤的半导体 激光器分别泵浦n d ：y a g 棒的两个不同位置，产生的两束激光在内腔相位锁定和 在外腔的合成。1 9 9 9 年，l a r sb a r t e l t b e r g e r 等利用主动控制注入锁定的方法使1 9 路半导体激光器实现了相位锁定【3 】。2 0 0 1 年，mt o n d u s s o n 等在多轴傅立叶腔中 使用衍射光学元件实现了4 个激光束的相干合成【4 】。2 0 0 2 年，d a v i ds a b o u r d y 等报 道了基于m i c h e l s o n 干涉仪结构的两个n d ：y a g 激光器的相干合成。首次揭示出合 成效率没有因两臂放大介质的不平衡遭到强烈破坏，尽管是干涉仪结构，但却显 示出很好的稳定性【5 】。两年之后，他们报道了基于m i c h e l s o n 干涉仪结构的带尾纤 输出的中心波长在9 7 5 n m 的两个半导体激光器的相干合成。2 0 0 4 年，i s h a a y a 等报 道了两束空间非相干多模激光束的高效相干合成，合成效率超过9 0 。同年，他 第l 章绪论 们又报道了一种使用平面干涉耦合器将几束高斯分布的激光束高效合成的紧凑 和实用的激光腔【6 1 。一年之后，他们在多通道n d ：y a g 激光腔中将两束具有高阶 横模的光束实现了高效的相干合成，相位锁定和合成是由一个插入腔内的干涉光 束合成器实现的。2 0 0 5 年，彭钦军等采用改进的m i c h e l s o n 干涉仪结构使两个 n d ：y v 0 4 激光器发出的激光束相干合成【7 1 。 讲i k n m i ，网孔啊i 口唧汀 耵0 一l 囊日囊 图1 1 二元相位光栅共用腔结构实现相干合成 f i g 1 - 1c o h e r e n ts u m m a t i o no fl a s e rb e a m su s i n gb i n a r yp h a s eg r a t i n g s 利用分叉本征态实现相干合成的工作首先由m a r cb r u n e l 等报道的，1 9 9 8 年， 他们利用分叉本征态实现了两路n d ：y a g 激光器的相位锁定从而实现了基超模输 出【引。其实验装置如图1 2 所示，两个半导体激光器分别泵浦n d ：y a g 棒的不同位 置，c 为双折射晶体，使两束光合成，q w p 为四分之一波片，用来调节两束光的 偏振态，m 为一个输出镜。 v z p u m p ； 1 。、 i = 一r 。 妻 厂 p u m pi | i 图1 2 分叉态相干合成实验装置 f i g 1 - 2c o h e r e n ta d d i t i o no f a d j a c e n tl a s e r sb yf o r k e de i g e n s t a t eo p e r a t i o n ( 口t r 口i i c r 幽l 一3 偏振台成的实验装置 f i g1 - 3 c o h e r e n ta d d i t i o no f p o l a r i z a t i o n 2 0 0 6 年，p h u a 等利用分叉态的方法实现了两个j 下交偏振激光器的相干锁定， 合成效率大于9 9 【9 i 。其实验装置如图1 3 所示，两臂的工作介质为n d ：y v 0 4 m 1 、 m 2 为前腔镜，偏转器1 将两光束合成，偏振器2 用来选模，m 3 为一输出镜，有半 波片h w p 2 和个四分之一波片q w p 构成的偏振控制器削柬调节两束光的偏振 态。 2 0 0 6 年，v e c k h o u s e 等在n d ：y a g 激光腔中通过插入四个 涉合成器实现 了1 6 柬高斯光束的相干合成，合成效率为8 8 【i o l 。2 0 0 6 年，b o l i a n gl u o 等对 用于5 x5 光束相干合成的多级相位光栅进行了设计和分析i 。2 0 0 6 年l i r a n s h i m s h i 等报道了9 个激光器的腔内高效相干合成【“i 。2 0 0 6 午一2 0 0 7 年，清华大 学的雷鸣等人分别用四镜和六镜迈克尔逊激光腔的端泵和侧泵方式进行两路和 四路的合成实验，合成效率分别达到了9 2 和9 0 【1 3i q 。 ”三|e 三- o ； n d ：、a gl d 、 “ j、l 卢i ，| i l 洲 、：v ( - in d ：、( 、 三le l m 三w “一u r - l o o r 叫u o 图1 4 迈克自：逊激光腔相干合成装置 f i g1 4 c o h e r e n t c o m b i n a t i o nu s i n g m i c h d s o n l a s e rc a v i t y 2 0 0 6 年，g o o d n o 等采用并联m o p a 方案实现了之宁型平扳高功率激光器的相干 合成。激光阵列输出功率1 9 k w ，光束的m 2 冈了小于2 ，是迄今为止报道的亮度最 第l 荦绪论 高的连续固体激光器【1 5 】。 总之，近年来，半导体激光器及固体激光器的相干合成发展较为迅速，组束 结构也多种多样，但综合来看，和主动锁相相比，自组织锁相具有简单性、稳定 性和可扩容性的特点，是将来相干组束的主要发展方向。 1 2 2 光纤激光器实现的相干合成 一普通光纤激光器 1 9 9 3 年，j a c q u e sm o r e l 等采用二元相位光栅合束和共用腔镜的结构分别实现 了3 个光纤激光器的相干合成，合成效率为7 0 ，这是首次报道的使用光纤激光 器实现的相干合成【l 引。1 9 9 9 年，v a k o z l o v 等报道了将2 2 熔融拉锥光纤耦合器 从中间切开并以此切面为共用输出腔镜实现两路激光器的相干合成，当两路激光 峰值波长差小于0 1 5 n m 时可实现注入锁定【l 刀。2 0 0 2 年，a k i r as h i r a k a w a 等报道了 内腔光纤耦合器实现的光纤激光器的相干合成。可以从单个光纤端口输出单束激 光，并通过简单调节各端口的损耗可使输出在各个端口间转换，合成光总是从损 耗最小的一端输出。2 0 0 2 年，s t e v e nj a u g s t 等提出使用干涉仪结构来实现两个光 纤激光器的相干合成。次年，他们又报道了采用m a c h z e h n d e 汗涉仪结构实现相 干合成，光纤激光器的输出光谱可在1 5 2 0 n m 1 5 8 0 n m 的波长范围内调谐，后来他 们又采用这种干涉仪结构进行两路激光相干合成来提高主动调q 激光器的峰值 输出功率，是单个激光器峰值输出功率的1 7 倍【l 7 1 。2 0 0 5 年，s h e n g - p i n gc h e n 等 在m a c h z e h n d e r 型腔实现相干合成的支臂上插入带通滤波器，实现了输出波长 15 3 0 n m 15 7 0 n m 范围内连续可调。2 0 0 4 年，l i p i n gl i u 等采用自成像的方法将两 段长为8 2 m 和5 6 m 的掺镱光纤实现了相位锁定，此方法的关键是在共用后腔镜朝 向腔的一面上恰当的位置贴上细金属丝作为空间滤波器来提高光束相干性。 二双包层光纤激光器实现的相干合成 2 0 0 0 年，m w r a g e 等利用t a l b o t 腔白成像的方法将呈圆形阵列排布的1 8 芯掺 n d ：3 + 光纤激光器实现了相位锁定。2 0 0 2 年，s t e v e nj a u g s t 等对两路掺镱光纤放 大器实现了相位锁定，每路放大器的输 h 最多可到1 0 w 1 8 j 。这篇文章是所能查到 的采用并联m o p a 方案实现相干合成的最早的报道。其实验装置如图1 5 所示。图 中主振荡源为一个掺镱双包层光纤激光器，其波长由自由空间的l i t t r o w 式光栅调 谐到放大器的增益峰值1 0 8 3 n m 处。振荡器的线宽约为2 5 g h z ，已经足够宽来抑 制受激布里渊散射( 布罩渊线宽约为1 0 0 m h z ) ，但如此宽的线宽的缺点是使相干 长度只有几个毫米，给光路的调节带来了困难。主振荡器出射的光通过5 0 5 0 的 偏振分束器耦合进入两段1 0 m 长的双包层保偏掺镱光纤进行放大，并通过与引入 北m t 业人学t 学坝l j 学位论女 的参考臂的相位比较和反馈从而达到两路激光输出的相位锁定。次年，他们报道 了光路中1 0 w 掺镱双包层光纤放大器的相位噪声，在实验室环境下要求相位伺服 器的带宽约在1 0 k h z ，对采用并联m o p a 方案实现两路激光束的斗h 千合成的伺服 控制系统的设计提供了宴验基础。 图1 - 5 并联m o p a 方案实现在烈包层光纤中相干台成 f i gi - 5s c h e m a t i c o f t h c p h a s e - l o c k i n g b y m o p ac o n f i g u r a t i o n 2 0 0 4 年，y a n m i n gh u o 等采用m o p a 方案实现了1 9 芯大模面积掺y b 3 + 双包层 光纤放大器基模同相输山，并用改进的耦合模理论进行了分析。2 0 0 5 年，h a n s b m e s s e l b a c h 等采用扩展的m i c h e l s o n 干涉仪结构实现了光纤激光器阵列的2 0 0 w 相干输出，这个输出功率只是1 0 个光纤激光器两两组合中相干输出最大的一组功 率。2 0 0 4 年，c jc o r c o r a n l 等提出一种以高斯函数和梳状函数为基函数构造的自 傅立叶函数，并提出可将其应用于高功率激光器的相干台成。次年，对能用于锁 定7 个激光器的自傅立叶腔的模式进行了分析，并与泰伯腔的情况做了对比。同 年，他们在实验上实现了采用自傅立叶腔锁定7 个激光器的相干合成，输出功率 为0 4 w 。2 0 0 5 年，j o h m b o u l l e t 等在双芯掺镱双包层光纤中实现了相干合成，其 原理是基于m i c h e l s o n 干涉腔结构，通过双锥熔融将两个芯耦合在一起i 】”。其实 验装置如图l5 所示，泵浦光通过二向色镜m 1 进入掺镱双包层光纤，两个纤芯通 过双锥熔融耦合器耦合在一起，半透半反镜m 2 用来提供反馈并输出激光。 幽i 6 烈芯光纤激光器实验袈置和光纤横截面幽 第1 章绪论 f i g 1 - 6s e t u po ft h et w o - d o p e dc o r ef i b e rl a s e ra n dt r a l l s v e l s eg e o m e t r yo ft h ef i b e r 2 0 0 6 年，上海光机所的楼祺洪等采用有空间滤波器的自成像腔将两个光纤激 光器的相位锁定输出功率1 2 w ，随后又将输出功率提高至l j 6 0 w t 2 0 。2 1 l 。2 0 0 5 年，国 防科技大学的研究小组采用主动控制并联主振荡功率放大( m o p a ) 方式实现了 两路激光束的相干合成。次年，他们又在国内首次成功实现三路光纤激光器的相 干合成，获得了三路连续波瓦级锁相光纤激光的相干输出。2 0 0 6 年，他们用两种 方法实现对掺镱光纤放大器的相位校正。一种是爬山法，通过自动寻优的方式不 断改变相位调制器控制电压，是系统输出保持在干涉最强处；另一种是外差法， 通过实时探测和校正光路中相位的变化，确保输出光束的相位一致。2 0 0 7 年，他 们从部分相干的高斯谢尔模型出发，首次推导出了当单个激光器的输出光束是 部分相干光时，激光器阵列相干合成的远场光强分布模型，并给出了数值模拟计 算结果【2 2 。2 4 1 。 综上所述，在光纤激光器相干组束领域，自成像腔自组织锁相与其他组束结 构相比有很多优势，是将来光纤激光器组束发展一个重要方向。 1 3 本文的主要工作 本文主要针对多激光束的自组织相干合成技术，建立了理论模型，推导得出 了用于光纤组束的自成像腔锁相运转条件，并提出新型的组束结构；根据固体激 光组束迈克尔逊激光腔多腔选频限制多支路激光相干合成的问题，提出一种新型 的固体激光组束结构，并从光学稳定性，机械稳定性入手分析其可行性，结果证 明其是一种可以实用的组束结构。并在此基础上提出了实验方案，以便开展后续 实验验证工作。 北京t 业人学t 学硕l ：学位论文 第2 章固体及光纤激光相干合成的分类 2 1 固体激光相干合成 目前实现固体激光相干合成主要有三种方案：1 腔内平面干涉耦合器组束； 2 基于迈克尔逊激光腔结构组束；3 共焦谐振腔结构组束。腔内平面干涉耦合器 组束，是一种采用在腔内加入高平行度的干涉耦合器，使各束激光在干涉耦合器 中叠加合成，然后从输出镜输出( 如图2 7 ) 的技术。当两束光不相干时，它们 在往返过程中经过耦合器时分别会各有5 0 的损耗，此时不会有激光输出：当两 束光相干时，他们经过耦合器时由于相干叠加，其损耗就会得到很好的抑制，从 而自动锁相后就会获得稳定输出。这种结构的特点是合成效率较高，运行稳定， 受外界干扰较小，但其在多激光组束时效率会降的很低。 图2 - 7 腔内平面干涉耦合器组束结构 f i g 2 - 7c o n f i g u r a t i o no f c o h e r e n ta d d i t i o nu s i n gi n t r a c a v i t yi n t e r f e r o m e t r i cc o m b i n e r 迈克尔逊激光腔的结构基于迈克尔逊干涉仪( 如图2 8 ) ，其实现相干合成的 物理机制是：两个全反镜m l ，m 2 都会与输出镜组成谐振腔，对应于两腔( l c + l 1 ) 和( l c + l 2 ) 的纵模的频率分别为c 2 ( l i + l 。) ，和c 2 ( l 2 + l 。) ；通过臂长差选频，即 v = c 2 1 l 2 l 1 i ，激光器振荡发生在处于两臂的激光器振荡频率线共有部分；通 过共用输出腔镜使两个支臂耦合，以致造成自组织的条件，从而达到两臂的同相 输出。 露一 le l 赫i 厂 b 一 l i 一 乙 ，址i i一m 图2 8 维纳迈克尔逊激光腔结构 8 第2 币f i l i l 体及光纤激光器相干合成的分类 f i g 2 - 8s c h e m a t i cd i a g r a mo fv e r n i e r - m i c h e l s o nc a v i t y 在国内，目前固体激光组束也主要基于迈克尔逊激光腔。2 0 0 5 年，中科院物 理所的彭钦军等人用改进的迈克尔逊激光腔将两个1 1 7 w 、1 2 w 的激光器组束得 到2 2 w 的组束激光，效率为9 2 ，并且光束质量也有提高( 如图2 9 ) 。 c , , a m w 童捌睡 图2 9 改进的迈克尔逊激光腔结构：( a ) 两路激光相干合成结构( b ) 两路激光单独振荡结构 f i g 2 - 9s c h e m a t i co fi m p r o v e dm i c h e l s o nc a v i t y ：( a ) c o h e r e n tc o m b i n gs e t u pa n d ( 协 i n d e p e n d e n to p e r a t i o ns e t u pf o rt w oc h a n n e ll a s e r s 2 0 0 6 年2 0 0 7 年，清华大学的雷鸣等人分别用四镜迈克尔逊激光腔的端泵和 侧泵方式进行两路和四路的合成实验，合成效率分别达到了9 2 和9 0 9 1 0 】 ( 如图2 1 0 ) 。 p 豫1 0 0 一l 物 ：、纨g 潞 r _ ， 一， i n d ：y a g 曩_ 。 图2 1 0 四镜迈克尔逊激光腔结构 f i g 2 10s c h e m a t i cd i a g r a mo ff o u r - m i r r o rm i c h e l s o nc a v i t y 从上述国内外研究结果综合来看，固体激光器的相干合成多采用被动锁相， 而在众多被动锁相组束结构中，迈克尔逊激光腔组束结构具有合成效率高、调节 方便、相对技术简单、结构方便扩容等特点，是一种较有发展潜力的组束结构。 2 2 光纤激光相干合成 光纤激光器是用光纤作激光介质的激光器，光纤激光器相比其他种类的激光 器具有很多优点：激光介质本身就是导波介质，耦合效率高；纤芯内易形成高功 率密度；光纤激光器的增益介质长，能很方便地延长增益介质以便抽运光被充分 北京t 业人学t 学硕i j 学位论文 吸收，这一特性使光纤激光器能在低抽运功率下运转，并能保证极佳的光束质量 和很高的转换效率；光纤具有很高的“表面积体积 比，散热效果好，不需要 额外庞大的制冷系统：又由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可以设计的相当小 巧灵活，可借助光纤方向耦合器构成各种柔性谐振腔，使激光器的结构更加紧凑、 稳定：光纤还具有相当多的可调参数和选择性，能获得相当宽的调谐范围 ( 4 5 5 n m 一3 5 0 0 n m ) 牛f l 当好的单色性和稳定性。这些特点决定了光纤激光器比半导体 激光器和固体激光器等拥有更多的优势。但是单个光纤激光器的输出功率相对较 低，理论己经证明单个光纤激光器的极限输出功率为1 0 k w ，这就限制了光纤激 光器在大功率激光器方面的应用。需要采用其他方法实现光纤激光器在大功率输 出条件下的运转，相干合成技术为解决这个问题提供了有效途径。相干合成方法 主要有：主振荡功率放大( m o p a ) 技术，消逝场泄漏场耦合法，光栅外腔相干组 束法，迈克尔逊马赫一曾德尔干涉法，自傅罩叶变换腔法以及自成像共焦腔法。 主振荡放大属于主动锁相，而其他都属于被动锁相。 2 2 1 主动锁相技术 主振荡放大技术是使用一个主振荡器作为整个系统的信号源，利用分束器将 信号分成多路，对于每一束分信号利用功率放大器进行放大，在每一路功率放大 器中配置相位调制器，通过对每一束光相位的实时监控，调整各束光之间的相位 关系，以期保证在输出端面上，各束光的相位一致，使输出端面上各束光发生干 涉，进而实现经过功率放大器的各束光的相干叠加，在保证输出光束质量的前提 下，实现功率的合成。实现主振荡功率放大( m o p a ) 的最关键的因素是如何对相 位进行调制，这是对输出光能否保证其为各分束相干叠加的决定性因素，但是使 用这种相位调制器将导致系统过于复杂，要求波前阵列误差小于波长的十分之 一，如果将信号光进行更多路的放大，对相位调制器的调制精度要求将变得极为 苛刻。而精确度极高的相位调制器一般成本过高，普通用户将无法承受，故对相 位的严苛要求在一定程度上限制了主振荡放大( m o p a ) 的使用。 图2 1 给出了一种典型的m o p a 结构设计。主振荡器是一个外腔的半导体激光 器，其驱动电流被调制，以生产一定频谱带宽的输出，这是为了抑s u s b s 和f w m 等非线性因素的影响。通过隔离器、前置放大器，进入分路器，这里使用前置放 大器是为了各分路功率平衡。通过分路器分为一路参考臂和四路信号臂，参考臂 和信号臂之间要求长度匹配，保证匹配范围在主振荡的相干长度范围内。如果为 了抑$ | j s b s ，使主振荡器的频谱带宽为1 g h z ，那么要求各臂长度在3 c m 范围内匹 配。长度差可以通过锁模激光器脉冲进行探测。参考臂内的光束通过一个声光布 拉格元件产生频移，然后与各信号臂内的光束干涉，利用外差法得到相位差，用 第2 章同体及光纤激光器相干合成的分类 以控制各路铌酸锂波导相位调制器的电压来调整信号臂内光束的相位。 图2 - 1 主振荡功率放大( m o p a ) 技术 f i g 2 1s c h e m a t i co fm a s t e ro s c i l l a t o rp o w e ra m p l i f i e r s 2 2 2 被动锁相技术 一消逝场耦合法。如图2 2 所示，它是在较大的内包层中有多个掺杂纤芯， 每个纤芯的直径、掺杂浓度等均相同，且均为单模，纤芯间的距离很近，由于振 荡激光瞬逝波的耦合，使得各纤芯受激发射的激光相互作用，达到同相位激光输 出。该方案的特点是输出光束亮度高，稳定性高，功率可扩展至数千瓦，输出功 率随纤芯数目增加，同时保持优良的光束质量，输出功率在一定范围内随光纤长 度线性扩展。 图2 - 2 多芯掺杂舣包层光纤 f i g 2 2m u l t i c o r ed o u b l e c l a df i b e r 二光栅外腔相干组束法。图2 3 为3 个掺n d ”单模光纤激光器的实验装置图， 将光栅置于复合外腔的内部，所有激光器共用1 个输出镜，光栅使得各光纤激光 器都有部分能量进入其它光纤激光器中，各个光纤激光器中的光振荡互相牵制， 达到锁模锁相的目的。该结构对各个激光器的位相和振幅的匹配程度要求极高， 否则耦合效率将会显著下降，同时各激光器的相对位相是通过耦合腔自行调整 擒 输淝饶 一f i g 2 - 3c 。h 蝴t c o m b i t l i n g 。ft h r e en d 3 + 一p 。d e d 肋e r l a s e ru s i n g 千田h ，言业薏妻竺差7 苎墅_ 譬德尔干涉法。如图2 4 ，利用熔锥型的 j d 光纤耦合器实 銎黧懋竺磐可譬理解为形成了，个y 形蔓善看y 。茹嚣磊嚣 絮蓁誓篓三曼竺学鎏耋等了个福克史密斯腔或等轰品萎猫二名嘉删n 。 未蚕冒萎篙堂篓娄霎氅坌董篓在输出镜处产生了多光秦举荔，嘉备甚羹茹薯高反 射率且能以多繁黧誊堂模式具有最低的阈值而被磊乌磊簇半瓣黧 古, 发n 圆os ，h i r a 簖k a w = a 耄翌耄纤耦合器实现了4 束光纤激光的相干暮芸f z 葛瑟茹 翟星麓。要耄， 。篓苎1 2 - 4 - 彼、m - 万# k 复用器进入各光纤激光器包皂粟磊运桑蒜? 。 盏嚣宴警竺登堂蚕登用于输出激光或反射激芜磊嘉磊器 篓嚣雪罴譬张舨饿各激光器之间的相位锁定囊羞藉茹篇箍 叠加自动实现的。 ”咐h 坳叩h 且 蒙550 攀嫒鞭搦”f l 姐尸 首_ 、 一压泰 卜一撼赣嚣、 髯角融m 船；a 辫街嚣 l 1 0 0 麟 翼。趟 捧e r 毙鳄霰荔复用鬻 鹈角 孵峨先鲜 匆咧鞯您熏 辫 誓沁 一 f i g 2 4c o h t c 。m b i n i n g 。ff o u rf i b e ri a s e ru s i l l g c 。u p l e r 拍翘竺二皇竺里兰享篓竺孽。，如图2 5 所示，由1 个平面镀有半乏膜的平凸透镜作 茎霎宴警罴，篓垄彗黧竺襁勘次正好完成，次傅虿。崧葚。焉罴- 雾尹嘉鲁警竺粪量竺2 竺全兰廿要使光纤激光器醐薪墓苫晶毒蒜塞 过1 次傅里叶变换后的图样完全一致，必须使 “一叫儿3 时h 习红 主墨：蛋透量竺当耋苎要；九是工作波长；b 是输入光纤纤：芷：l 、日j 的空问距离。s f 腔的原理：高斯函数的傅里叶变换还是高斯函数，淼。函1 茹嚣蔷荨萎羡主 遗。婺染 墨蚌蔓纾鎏纾堂硝重鼢堑吲勰袅辫 第2 章用体及光纤激光器相干合成的分类 梳状函数。如果适当设计光纤的输入结构，就能获得与输入图样相同的经过外腔 的1 次往返后的干涉图样且高效率地进入光纤中。 图2 5 自傅里叶变换激光腔 f i g 2 - 5s c h e m a t i co fs e l f - f o u r i e rl a s e rc a v i t y 五自成像共焦腔法。如图2 6 ，s 2 和s 3 均在聚焦透镜的两个焦面上，另外可 以在输出镜m 2 前放置一个空间滤波器，对激光腔的模式进行选择。空间滤波器 的作用是区别出同相模和异相模，并增大异