（光学工程专业论文）自组织固态激光器阵列的调频混沌和相位锁定物理机制的研究.pdf

c h a o t i cd y n a m i c sa n dp h a s e l o c k i n g o f s e l f - o r g a n i z e dd o p e d - i n s u l a t o rl a s e ra r r a y s c a n d i d a t e ：c a oj i a n q i u s u p e r v i s o r ：p r o f l uq i s h e n g a s s o c i a t ep r o f h o uj i n g ad i s s e r t a t i o n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fe n g i n e e r i n g i no p t i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es c h o o lo fn a t i o n a lu n i v e r s i t yo fd e f e n s et e c h n o l o g y c h a n g s h a , h u n a n , p r c h i n a m a r c h 。2 0 1 0 5删0 川川i肿6 9 邶7iiii棚y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 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谢意。 学位论文作者签名：望塑起 日期：。o o 年- 弓月弓f 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 蟛绷狄 日期：d fd 年弓月易f 日 如f 口年；月弓日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义。l 1 2 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 第三章 3 1 3 3 第四章 4 1 4 2 1 1 1 光束非相干合成技术1 1 1 2 光束相干合成技术4 1 1 3 小结13 本文的主要工作及内容安排1 3 频率调制自组织固体激光器阵列混沌动力学特性的数值研究15 数值模型及初步的数值模拟结果1 5 2 。1 1 数值模型简介1 5 2 1 2 初步的数值模拟结果1 7 李雅普诺夫指数简介19 数值模拟结果及讨论2 3 2 3 1频率调制对系统混沌动力学特性的影响2 3 2 3 2 系统参数对混沌动力学特性的影响2 5 本章小结2 8 自组织固态激光器阵列的理论模型一3 0 理论模型的建立3 0 3 1 1 增益部分光场的描述3 1 3 1 2 耦合部分和反馈部分光场的描述3 4 理论模型的初步探讨3 6 3 2 1 双向行波分解与驻波分解3 6 3 2 2 模型在单个激光器中的应用3 7 本章小结3 9 干涉仪结构光纤激光器阵列自组织锁相机制的研究4 0 干涉仪结构光纤激光器阵列的相位锁定4 0 复合谐振腔对于干涉仪结构光纤激光器阵列输出特性的影响4 6 4 2 1 数值模型简介4 6 4 2 2 数值模拟结果及讨论4 8 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 4 3 4 4 第五章 5 1 5 3 4 2 3 小结5 4 偏振控制对干涉仪结构光纤激光器阵列输出特性的影响5 4 本章小结6 0 相互注入式光纤激光器阵列自组织锁相机制的研究6 1 相互注入式光纤激光器阵列自组织相位锁定的物理机制6 l 5 1 1理论研究6 2 5 1 2 实验验证6 5 5 1 3 进一步理论探讨6 6 相互注入方式对相互注入式激光器阵列相位锁定的影响6 7 5 2 1对称注入方式对阵列锁相状态的影响6 9 5 2 2 非对称注入方式对阵列锁相状态的影响7 3 5 2 3小结。7 8 路相互注入式激光器阵列的相位锁定7 8 5 3 1采用环形排列方式的相互注入式激光器阵列7 8 5 3 2 采用线型排列方式的相互注入式激光器阵列8 4 5 4 本章小结8 7 第六章结论与展望一8 8 6 1 工作总结8 8 6 2 主要创新点8 9 6 3 未来工作的展望9 0 致谢9 2 参考文献9 4 作者在学期间取得的学术成果1 0 3 附录a ：( 4 9 ) 式中石、五、y 。和y 2 的推导一1 0 5 附录b ：( 5 3 7 ) 3 1 ：1 ( 5 3 8 ) 式的推导1 0 6 附录c - ( 5 4 5 ) 式的推导10 8 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表 目录 表2 1 数值模拟中使用的参数值17 表4 1 文献中使用的实验装置参数4 9 表4 2 数值模拟结果与实验结果的比较4 9 表5 1 讨论中需要使用的参数6 8 第1 i l 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 光束的光谱合成方案结构简图2 图1 2 带有后继放大的光束光谱合成方案2 图1 3 光谱合成的改进方案。3 图1 4p t r 布拉格光栅光束合成原理图3 图1 5 五路激光器光束合成的实验装置图3 图1 6 外差法相位控制原理图和激光器阵列实验装置图5 图1 7 单探测器相位控制激光器阵列实验装置图6 图1 8 外腔选模相干合成方案的结构简图7 图1 9 自反馈环形腔光纤激光器阵列结构图8 图1 1 0s b s 相干合成技术结构简图9 图1 1 1 熔融拉锥光纤激光器阵列1 0 图1 1 2 迈克尔逊干涉仪结构激光器阵列结构简图1 2 图1 1 3 两路相互注入光纤激光器阵列结构图1 3 图2 1 激光器阵列的光强和相位差随时间的变化1 8 图2 2 激光器阵列的光强和相位差随时间的变化。1 9 图2 3 不同调制频率下，最大李雅普诺夫指数随调制深度的变化2 3 图2 4 ( e o s ) 的频谱2 4 图2 5 不同调制频率下，有效频谱成分的强度随调制深度的变化2 5 图2 6 不同耦合系数的条件下，最大李雅普诺夫指数和有效频谱成分的强度随调 制深度的变化2 6 图2 7 不同的条件下，最大李雅普诺夫指数和有效频谱成分的强度随调制深度 的变化2 6 图2 8 最大李雅普诺夫指数和有效频谱成分的强度随调制深度的变化2 7 图2 9 不同a o j o 的条件下，最大李雅普诺夫指数随调制深度的变化2 8 图2 1 0 激光器阵列的相位差及相应的( c o s ) 的频谱。2 8 图3 1 自组织激光器阵列的结构简图3 1 图4 1 迈克尔逊干涉仪结构光纤激光器阵列( 两路) 的结构简图4 1 图4 2 干涉仪结构激光器阵列的等效复合谐振腔4 7 图4 3 阵列的合成效率随随机腔长和激光器数量的变化5 0 图4 4 阵列输出功率的起伏随随机腔长和激光器数量的变化5 2 图4 5 平均腔长差对于阵列输出特性的影响5 3 图4 6 光谱宽度对于阵列输出特性的影响5 3 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 7 干涉仪结构光纤激光器阵列的实验装置图。5 5 图4 8 迈克尔逊干涉仪阵列的实验结果5 6 图4 9 无偏振控制和存在偏振控制时，环形腔马赫曾德尔干涉仪阵列实验结果的 比较。5 7 图4 1 0 线型腔马赫曾德尔干涉仪阵列的实验结果5 8 图4 1 1 光场在双折射介质中偏振状态的演变过程5 9 图5 1 相互注入式光纤激光器阵列的结构简图6 2 图5 2 相互注入式光纤激光器阵列的光束远场干涉模式6 6 图5 3 相互注入式激光器阵列结构图6 8 图5 4 采用对称注入方式的激光器阵列结构简图6 9 图5 5 采用非对称注入方式的几种激光器阵列的结构简图7 3 图5 6 采用非对称注入方式的几种激光器阵列的结构简图7 5 图5 。7 采用非对称注入方式的几种激光器阵列的结构简图7 7 图5 8 相互注入式光纤激光器阵列结构简图7 9 图5 9 用于光场相互注入的两种耦合器：8 3 图5 1 0 线型排列的相互注入式光纤激光器阵列的结构简图8 4 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 实现具有良好光束质量的高功率激光光束一直是激光技术所追求的目标，自 组织激光器阵列是有望实现高功率、高光束质量激光输出的技术方案之一。该阵 列无需外加任何相位控制，就可以实现光束的锁相输出，具有结构简单的特点， 因而受到了广泛关注。同时，自组织激光器阵列还是一种具有代表性的耦合非线 性振荡器系统，因此，该阵列动力学特性的研究，有利于加深对于耦合非线性振 荡器系统的认识。特别是自组织激光器阵列的同步混沌在保密通信中的应用前景， 使得该阵列动力学特性更加引人注目。自组织激光器阵列是当今激光领域研究热 点之一。 现阶段对于该阵列的频率调制混沌动力学特性以及自组织锁相机制的认识比 较有限。因此，本文对自组织固态激光器阵列的调频混沌特性和相位锁定的物理 机制进行了探讨，主要开展了以下几个方面的工作： 1 对带有频率调制的自组织固体激光器阵列( 两路) 的混沌动力学特性进行数值 研究。分析阵列的混沌动力学特性与频率调制之间的关系，揭示阵列在低频频 率调制下的混沌响应，并对频率调制下阵列产生同步混沌输出的物理机制进行 探讨，同时，本文还通过数值模拟，分析了激光器阵列的耦合系数、泵浦系数 等参数对于混沌动力学特性的影响。 2 结合干涉仪结构以及相互注入式激光器阵列的结构特点，以半经典激光理论为 基础，建立了自组织固态激光器阵列的理论模型。该模型的特点是能够对光场 在干涉仪结构以及相互注入式激光器阵列中的传输过程进行详细的描述。该模 型的建立为进一步分析这两种激光器阵列的自组织锁相机制打下了基础。 3 对干涉仪结构激光器阵列的自组织锁相机制进行分析，揭示干涉仪结构激光器 阵列的自组织锁相机制，并讨论增益对于该阵列锁相状态的影响，论证冷腔分 析法的有效性。同时，以循环场理论为基础，利用冷腔分析法，分析干涉仪结 构激光器阵列的复合谐振腔结构对于阵列输出特性的影响。并通过实验，分析 偏振控制对于干涉仪结构激光器阵列的输出特性的影响。 4 对相互注入式激光器阵列的自组织锁相机制进行研究，揭示相互注入式激光器 阵列的自组织锁相机制，分析该阵列的自组织锁相模式，并利用两路光纤激光 器阵列对理论结果进行实验验证。本文还分析了不同的相互注入方式对于该阵 列自组织相位锁定状态的影响，以及阵列的相位锁定状态与激光器数量之间的 关系。 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t a c h i e v i n gh i g h - p o w e rl a s e r s 、析mg o o db e a m - q u a l i t yi sac h a l l e n g i n gg o a lo fl a s e r t e c h n o l o g ya n dd r i v e st h ed e v e l o p m e n to fl a s e rt e c h n o l o g y n o w a d a y s ，c o h e r e n tb e a m c o m b i n i n go fs e l f - o r g a n i z e dd o p e d - i n s u l a t o rl a s e ra r r a yi sc o n s i d e r e da sap r o m i s i n g w a yt or e a l i z et h ec h a l l e n g i n gg o a l t h i ss o r to fa r r a y sc a nm a k ee l e m e n t a r yp h a s e l o c k e dw i t h o u ta n ya d d i t i o n a l p h a s ec o n t r 0 1 t h i sp h e n o m e n o ni s c o n s i d e r e da s s e l f - o r g a n i z a t i o n , a n da t t a c h e sm u c ha t t e n t i o n f u r t h e r m o r e ，s e l f - o r g a n i z e dl a s e ra r r a y i sa l s oar e p r e s e n t a t i v ep a r a d i g mo fc o u p l e dn o n l i n e a ro s c i l l a t o rs y s t e m s t h u s ，t h e s t u d i e so nt h e d y n a m i c so ft h i sa r r a y a r ev e r yn e c e s s a r ya n du s e f u l f o rd e e p l y u n d e r s t a n d i n gt h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o u p l e dn o n l i n e a ro s c i l l a t o rs y s t e m s b e s i d e sn l a ：t ，s i n c et h e s y n c h r o n i z e d c h a o sw a sd i s c o v e r e di n s e l f - o r g a n i z e d d o p e d - i n s u l a t o rl a s e ra r r a y , c h a o t i cd y n a m i c so ft h i sa r r a yb e c o m e sa n o t h e ra t t r a c t i v e p o i n t f o ri t s a p p l i c a t i o n i ns e c u r ec o m m u n i c a t i o n i no n ew o r d , n o w a d a y s ， s e l f - o r g a n i z e dd o p e d - i n s u l a t o rl a s e ra r r a yi so n ef r o n t - e d g et o p i co f l a s e rp h y s i c s a l t h o u g hm a n y s t u d i e sh a v eb e e nc a r r i e do u to nt h e s e l f - o r g a n i z e d d o p e d - i n s u l a t o rl a s e ra r r a y , u n d e r s t a n d i n g sa r es t i l ll i m i t e do nt h ep h y s i c a lm e c h a n i s m s o ff r e q u e n c y m o d u l a t e dc h a o sa n ds e l f - o r g a n i z e dp h a s el o c k i n go ft h i sa r r a y t h e r e f o r e ， t h ei n t e r e s t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ef o c u s e do nt h e s et w op o i n t s ，a n dt h ec o n t e n t so ft h i s d i s s e r t a t i o na r eg i v e na sf o l l o w s ： 1 t h ec h a o t i cd y n a m i c so ft h es e l f - o r g a n i z e dd o p e d i n s u l a t o rl a s e ra r r a yw i t h f r e q u e n c ym o d u l a t i o ni sn u m e r i c a l l ys t u d i e d b ya n a l y s i st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec h a o t i cd y n a m i c sa n dt h ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n , t h em e c h a n i s mo ft h ec h a o t i c r e s p o n s et ot h ef r e q u e n c ym o d u l a t i o ni sr e v e a l e d t h ee f f e c t so fp a r a m e t e r so ft h e a r r a y ( e g ，c o u p l i n gc o e f f i c i e n t ，p u m pa n ds oo n ) o nt h ec h a o t i cr e s p o n s ea r ea l s o n u m e r i c a l l yd i s c u s s e d 2 at h e o r e t i c a lm o d e li sb u i l tb a s e do nt h es e m i c l a s s i c a ll a s e rt h e o r yc o r r e s p o n d i n gt o t h ec o n f i g u r a t i o np r o p e r t i e so ft h ei n t e r f e r o m e t r i cl a s e ra r r a ya n dm u t u a l l y i n j e c t e d l a s e ra r r a y t h i sm o d e lc a l lm a k ead e t a i l e dd e s c r i p t i o no nt h ep r o p a g a t i n go fl a s e r f i e l d si nt h e s ea r r a y s ，a n dp r o v i d eau s e f u lt o o lt oa n a l y z ep h a s el o c k i n go ft h e s e s e l f - o r g a n i z e dl a s e ra r r a y s 3 t h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo fs e l f - o r g a n i z e dp h a s el o c k i n go ft h ei n t e r f e r o m e t r i c l a s e ra r r a y si st h e o r e t i c a l l ys t u d i e d t h ee f f e c to fg a i no nt h ep h a s e l o c k e ds t a t e so f t h ea r r a yi sd i s c u s s e d t h ev a l i d i t yo ft h ec o l d - c a v i t ya n a l y s i sf o rp r e d i c t i n gt h e p e r f o r m a n c eo ft h ea r r a y i sa l s ov e r i f i e d f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t so ft h e c o n f i g u r a t i o no ft h ec o m p o u n dr e s o n a t o ro np h a s el o c k i n go ft h ei n t e r f e r o m e t r i c a r r a ya r ei n v e s t i g a t e d 丽t hc i r c u l a t i n gf i e l dt h e o r y ( al d n do fc o l d c a v i t ya n a l y s i s ) n l ee f f e c t so fp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l i n go nc o h e r e n tb e a mc o m b i n i n go ft h e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 i n t e r f e r o m e t r i ca r r a y sa t ea l s or e s e a r c h e de x p e r i m e n t a l l y 4 p h a s el o c k i n go fm u t u a l l y - i n j e c t e dl a s e ra r r a yi st h e o r e t i c a l l ys t u d i e d 1 1 圮 m e c h a n i s mo fs e l f - o r g a n i z a t i o np h a s el o c k i n go ft h i sa r r a yi sr e v e a l e d ，a n dt h e p h a s e 1 0 c k e d s t a t e so ft h ea r r a ya l ea l s og i v e n b e s i d e st h a t ，t h ee f f e c t so f m u t u a l i n j e c t i o nw a y so np h a s el o c k i n go fa r r a y so ft w om u t u a l l y - i n j e c t e dl a s e r s a r ea l s ot h e o r e t i c a li n v e s t i g a t e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep h a s e l o c k e ds t a t e s a n dt h en u m b e ro fe l e m e n t a r yl a s e r so ft h ea r r a yi sa l s og i v e n k e yw o r d s ：l a s e ra r r a y , d o p e d - i n s u l a t o rl a s e r s ，s o l i d s t a t el a s e r s ，f i b e r l a s e r s ，c o h e r e n tb e a mc o m b i n i n g ，s y n c h r o n i z e dc h a o s ，f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ， s e l f - o r g a n i z e dp h a s el o c k i n g 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 自从二十世纪七十年代第一台激光器诞生以来，实现具有良好光束质量的高 功率激光系统一直是激光技术发展的重要目标。在这一需求的牵引下，激光技术 不断发展，新型激光器不断涌现，如化学激光器，染料激光器，固体激光器等等。 但是，研究发现：当单个激光器的功率提高到一定程度时，激光输出的相干性和 光束质量就会受到影响，其结果导致远场光斑的能量密度降低。不仅如此，对于 某些激光器( 如固体激光器) ，单个激光器功率的提高还会受到热损伤、非线性 效应等物理效应的限制。因此，人们开始考虑：能否将多个激光光束合并起来， 形成一束具有良好光束质量的高功率光束? 激光器阵列的概念也因此被提了出来 【l 5 】 o 激光器阵列发展的最初阶段只是简单地将多个激光器排列在一起，不对激光 光束进行任何控制。早期的二极管激光器阵列( d i o d e l a s e ra r r a y ) 就是基于这种 思想建立起来的【2 3 】。该方法虽然能够通过光束的简单叠加提高光束的总功率，但 是不能改善总光束的光束质量，也就无法提高远场光场的能量密度。这种方法也 渐渐淡出人们的视野。 若要提高激光器阵列输出光束的远场能量密度，就需要对阵列中的光束进行 有效的控制，在提高总光束功率的同时，改善光束质量。为了实现这一目标，人 们进行了许多尝试，提出了多种技术方案。按照阵列中光束性质的不同，这些方 案大体可以分为两类：光束的非相干合成和相干合成。 1 1 1 光束非相干合成技术 激光器阵列的光束非相干合成是将多个不相干的光束合并成一束具有良好光 束质量的光束。其中最具代表性的是光束的光谱合成技术( w a v e l e n g t hb e a m c o m b i n i n g ) ，该技术是利用光栅的色散特性，将具有不同中心波长的光束同轴、 同口径输出，从而形成一束光束。该技术的特点是能够在保证光束质量不变的前 提下，实现光束的功率扩展，从而提高远场光场的能量密度。早在上世纪九十年 代，美国麻省理工林肯实验室就已经对光束的光谱合成技术进行了卓有成效的研 究，其使用的方案如图1 1 所示。 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 - l - 。- - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ ff 图1 1 光束的光谱合成方案结构简图，h r ：高反镜 该方案中，透镜光栅输出耦合镜所组成的光束合成系统主要起到两方面的作 用：其一，将不同的光束同轴同1 ：3 径输出，从而实现光束的合成；其二、将部分 光场反馈回增益介质中，以确保每个激光器能够正常运行。理论上讲，只有垂直 入射到输出镜面的光场才能够形成有效的反馈，同时，增益介质与光栅的相对位 置也决定了每个激光器的工作波长。林肯实验室对该方案进行了原理验证性的实 验研究，利用十一路二极管激光器1 6 】得n t1 8 w 、m 2 因子为2 0 的光束输出，还 利用两路光纤激光器【7 】得到了2 2 3 m w 的光束输出。2 0 0 3 年，林肯实验室对该方案 作了进一步改进( 见图1 2 ) ，引入了功率放大模块【8 】，实现了五路光纤激光器的 光束合成，得到了6 w 、m 2 因子为1 1 4 的光束输出；2 0 0 6 年，f r s s e r 等人利用 该方案对三路功率较高的光纤激光器进行了光束合成研究1 9 ，得到了1 0 4 w 、m 2 因子为2 7 的光束输出。不过，研究表明：由于该方案的光束合成系统要为每一路 激光器提供反馈，因此，该方案对增益介质的摆放以及光束合成系统的设计提出 了很高的要求【1 0 1 ，这对该方案的可扩展性造成了不利的影响。 m a s t e ro s c i l l a t o r a r r a y o u t p u t b e a m a m p l i f i e r a r r a y 图1 2 带有后继放大的光束光谱合成方案 为了提高方案的可扩展性，人们提出用独立的具有不同波长的种子光源来代 替图1 2 中的主振荡器阵列1 1 1 ( 见图1 3 ) 。这种结构虽然会使每一个激光器单元 的结构更加复杂( 采用主振荡功率放大结构，即m o p a ) ，但会改善系统的稳定性和 第2 页 -_l恨 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 设计的灵活性，从而提高方案的可扩展性。利用这种改进方案，美国a c u l i g h t 公 司于2 0 0 7 年对三路百瓦级光纤激光器进行了光束合成，得到了5 2 2 w 、m 2 因子约 为1 2 的光束输出【l2 。c w i r t h 等人也利用该方案实现了四路光子晶体光纤激光器 的光束合成，得到了2 k w 、m 2 因子小于2 的光束输出【1 3 】。 c o m b i n e d b e a r n - _ - _ _ _ _ l _ - - - - 。- _ _ - _ l _ _ _ _ _ l 。 ff 图1 3 光谱合成的改进方案 另一种引人关注的光谱合成方案是美国c e n t r a lf l o r i d a 大学提出的利用光热折 变无机玻璃布拉格光栅( p t rb r a g gg r a t i n g ) 来实现光束合成【1 4 , 1 5 】。该方案将光热 折变无机玻璃中的布拉格光栅作为光束合成元件，利用该光栅良好的衍射效率以 及光热稳定性，来实现高功率的光束合成。该方案的原理图如图4 所示：通过光 栅的设计，使得光栅对于波长九l 具有高的衍射效率，而对于波长赴的衍射效率约 为零，从而实现光束的合成。以双光束合成为基础，c e n t r a lf l o r i d a 大学提出了扩 展方案i l 纠列( 如图5 所示) ，并于2 0 0 8 年对五路光纤激光器进行了光束合成【1 9 】， 得到了7 7 0 w 的近衍射极限( m 2 = 1 1 6 ) 的光束输出，合成效率达到了9 1 7 。 g r a t i n g 图1 4p t r 布拉格光栅光束合成原理图【1 8 】 图1 5 五路激光器光束合成的实验装置图1 1 6 】 第3 页 磊： 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 上面介绍了两种当今较受关注的光谱合成技术，除此之外，t r u s s e l l 等人还 提出了利用光纤中受激布里渊散射的光束净化特性来实现光束的光谱合成【2 0 】。总 之，光束的光谱合成是有望实现高功率、高光束质量光束的技术途径之一，而激 光介质的增益线宽限制、光栅的性能以及高功率条件下光栅的热效应等因素也为 该技术的功率扩展提出了挑战。 1 1 2 光束相干合成技术 激光器阵列的光束相干合成技术是将多个具有良好相干性的光束合并成一束 光束。与非相干合成技术不同，相干合成技术要求参与合成的各光束具有相同的 光谱分布，同时，还要求各光束之间具有确定的相位关系( 即实现各光束之间的 相位锁定) ，这无疑对阵列中激光器的输出特性提出了更高的要求。事实上，由 于相位噪声的存在，各个独立激光器之间不能自发的实现相位锁定；同时，由于 光波的波长较短，实现光束的精确相位控制也决非易事。尽管如此，与非相干合 成相比，相干合成得到的光束，远场能量分布更为集中。因此，尽管与非相干合 成相比，相干合成对光束控制提出了更高的要求，但是，相干合成仍然受到了广 泛的关注。 相干合成技术早期主要应用于c 0 2 激光器阵列【2 1 。2 5 】和半导体激光器阵列【2 6 2 7 1 。现阶段，光束相干合成的研究热点主要集中在固态激光器( 这里指以掺杂绝缘 体作为增益介质的激光器，包括固体激光器、光纤激光器等) 阵列。因为固态激 光器具有较高的泵浦效率、紧凑的结构、较好的光束质量，而且固态激光器不会 像半导体激光器那样受到线宽展宽( l i n e w i d t he n h a n c e m e n t ，是表征载流子浓度对 于折射率影响的物理量) 的影响【2 8 2 9 1 ，更有利于实现光束的相干合成。围绕着固 态激光器阵列的光束相干合成，人们进行了很多尝试，提出了各种方案。这些方 案大体可以分为两类：一类是波前控制激光器阵列；一类是自组织激光器阵列。 下面对这两种方案进行简要的介绍。由于现阶段，光束相干合成研究的热点集中 在光纤激光器领域，光纤激光器阵列相干合成技术的发展也最能够代表现阶段光 束相干合成技术发展的状况。因此，在下面的部分，主要以光纤激光器阵列为基 础，介绍光束相干合成技术的发展现状。 1 1 2 1 波前控制激光器阵列 波前控制激光器阵列，是利用波前相位控制，实现激光器阵列光束之间的相 位锁定，从而实现光束的相干合成。目前，实现波前相位控制的方法主要有：实 时相位控制、横向模式选择( 外腔法) 以及受激布里渊散射( s b s ) 相干合成技术。 相位实时控制相干合成技术 相位实时控制相干合成技术是利用自适应波前控制方法控制光束之间的相位 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 差来实现光束的相干合成。为了保证各光束之间的相干性，该阵列中的激光器通 常采用m o p a 方案来构造，即将具有良好相干性、但能量较弱的种子光分柬后， 经过多级激光放大器放大，得到用于合成的光束。同时还要对光束进行偏振控制， 以保证各路光束之间具有相同的偏振态。该方案的核心是自适应波前相位控制技 术，目前使用的相位控制方法主要有外差法、多抖动法、随机并行梯度下降法等。 外差法是较早用于光束相干合成的一种波前控制方法，该方法对参考光进行 调制，然后，与阵列中的每个光束进行叠加，探测叠加后的光强随时间的变化过 程，从中解调出每个光束与参考光之间的相位差信号，并将该信号作为控制信号 对每一路光束的相位进行控制，以实现光束之间的相位锁定。其原理如图1 6 ( a ) 所示。n o r t h r o pc r r l 1 n 1 t l q a l l 公司利用该方案对光纤激光器阵列和板条激光器阵列的 光束相干合成进行了研究( 实验装置图如图1 6 ( b ) 所示) ，取得了令人瞩目的成果： 2 0 0 6 年，通过对四路光纤激光器进行光束相干合成，得到了4 7 0 w 的光束输出【3 0 】； 同年，利用两路1 0 k w 板条激光器，得到了1 9 k w ，光束质量小于2 的光束输出【3 l 】； 2 0 0 9 年，该公司又对七路1 5 k w 板条激光器进行了光束的相干合成，得到了1 0 5 k w ， 光束质量小于3 的光束输出。这是国际上首次利用光束相干合成技术，实现了固 体激光器系统1 0 0 k w 量级的光束输出，这不但验证了该方案实现1 0 0 k w 激光系统 的可行性，也为利用实时波前控制光束相干合成技术的发展打开了前景。 图1 6 外差法相位控制原理图( a ) 和激光器阵列实验装置图( b ) 【3 1 】 虽然外差法相干合成方案取得了空前的成功，但是，在该方案的相位控制系 统中，探测器与阵列中的激光器是一一对应的，因此，随着阵列中激光器数量的 第5 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 增加，探测器的数量也要随之增加，这也使得整个系统愈加复杂。为了简化系统， 单探测器相位控制方法被提了出来，该方法是将阵列输出的总光场的某一特性( 如 桶中功率) 作为评价参数，通过探测该参数的变化得到光束的相位控制信号，并 依此对光束进行相位控制，实现光束的相位锁定，该方案的实验装置图如图1 7 所 示。目前，用于光束相干合成的单探测器相位控制方法主要有多抖动法 ( m u l t i d i t h e r i n g 、l o c s e t ) 3 2 - 3 9 1 和随机并行梯度下降算法( s p d g ) 4 0 4 3 】，这两 种方法的不同之处在于：多抖动法是对每一个光束进行不同频率的调制，通过探 测总光场的特性参数随时间的变化，解调出每一路光束的相位控制信息，以实现 光束的相位锁定；s p d g 法是对每一个光束进行随机地扰动，探测扰动前后总光场 特性参数的变化，并依此产生下一个扰动信号，通过不断地迭代，使得光场的特 性参数值稳定在极值点，从而实现光束的相位锁定。美国a i rf o r c er e s e a r c h 实验 室3 3 - 3 7 1 和中国国防科技大学光电科学与工程学院【3 8 掣】将这两种方法应用于光纤激 光器阵列的光束相干合成，进行了原理验证性的研究，并取得了一定的进展。a i r f o r c er e s e a r c h 实验室利用多抖动法实现了九路1 2 w 光纤激光器的光束相干合成 3 r l ；国防科技大学利用s p g d 算法也实现了六路1 0 w 量级光纤激光器的光束合成 i “】 o 总之，实时相位控制是实现高功率激光器阵列光束相干合成的最主要的技术 途径之一，而且已经取得了丰硕的研究成果。不过，该方案的可扩展性也会受到 一些因素的限制，比如：随着阵列中激光器数量的增加，相位噪声越来越复杂， 对相位控制系统的响应时间也提出了更高的要求；同时，阵列的输出功率也会受 到单元激光器功率水平的限制。如何克服这些不利因素对阵列可扩展性的限制， 还有待进一步的研究【”儿4 引。 图1 7 单探测器相位控制激光器阵列实验装置图【3 6 1 ，其中：p m 表示相位调节器 外腔选模相干合成技术( 外腔法) 外腔选模相干合成技术( 外腔法) 是通过对激光器阵列输出的总光场的横向 模式进行选择来实现光束的相位锁定，从而实现光束的相干合成。与实时相位控 第6