掺镱光纤放大器的相干合成实验研究 - 图文-

1、 纤激光器的输出功率要比半导体激光器低得多。所以如何提高光纤激光器的输出功率就成了目前研究的一个重要课题。而光束合成技术作为一种可以提高光 纤激光器输出功率的重要途径也便成了光电子技术领域的研究热点。 从合成的原理上讲,光束合成可分为非相干合成和相干合成两种。光纤激光器的非相干合成就是简单的将多路光纤激光通过一些光学元件组合为一束,由 于各路光纤激光之间没有相位上的关系,所以得到的合成光束是非相干的。这种合成技术虽然可以使总的激光功率提高,但光束质量相对于单个光纤激光来说 却下降了很多；而光纤激光器的相干合成是在精确控制各路激光相位的基础上对光束的一种相干合成,各路光纤激光间有严格的相位上的关

2、系,得到的合成光 束是相干的。因此可以在得到高功率输出光束的同时保证输出激光的光束质量,并且具有光束的光谱、相位、偏振等特性可控的优点。从理论上来讲,对N束功 率相同的激光进行非相干叠加,则目标上的光强增加至N倍；而如果进行相干合成,则目标上光场的振幅增至N倍,光强增至N2倍,更具有优势。因此光纤激光器 的相干合成技术引起了国内外学术界和产业界的广泛关注。而对于自组织型光纤激光器相干合成原理的研究有助于更好地研究光纤激光器的相干合成技术,以 便将其用于提高光纤激光器的输出功率,这将具有非常重要的意义。 本文采用数值模拟分析的方法着重研究光纤激光器阵列的泵浦功率、耦合长度、增益等参数对同步现象的

3、影响。并根据研究结果,对光纤激光器阵列的输 出光强进行优化。主要内容包括： 1. 介绍光纤激光器相干合成技术的基本概念、应用,全光纤激光相干合成的分类、发展以及最新阶段的研究成果。 2.较全面的介绍了利用多腔谐振腔理论和环形场理论来推导光纤激光器阵列的光谱响应函数的推导过程,较为深入的介绍了光纤的耦合模理论。并给出分 析光纤激光器阵列动态特性的理论基础。 3.利用非线性耦合迭代法,微扰理论和线性变换方法,对光纤激光器阵列的动态效应进行了深入的分析,讨论了光纤激光器阵列的阈值以及脉冲输出条件随 泵浦功率的变化关系。通过对公式的推导重点阐述了光纤激光器阵列在常增益系数条件下的稳定性随耦合器的长度,

4、阵列数的变化关系,并解释了对应的物理 含义。 8.期刊论文 肖瑞.侯静.姜宗福.Xiao Rui.Hou Jing.Jiang Zong-Fu 光纤放大器阵列的远场特性研究 -物理学报 2007,56(8 从光纤激光器阵列相干合成远场光强分布的解析表达式出发,详细研究了阵列占空比、阵元个数以及阵元的相位误差对相干合成远场图样分布、中心主瓣 的角宽度及所占能量的影响.给出了占空比为12.5%时,三路保偏光纤放大器相干合成的实验结果. 9.学位论文 肖瑞 主振荡功率放大器方案光纤激光相干合成技术 2007 光纤激光相干合成技术是实现高功率高亮度光纤激光系统的重要技术途径。论文采用主振荡功率放大器(

5、MOPA方案，全面系统的对光纤放大器阵列的相 干合成技术进行了理论和实验研究。 本文运用夫琅禾费衍射理论，得到了光纤放大器阵列相干合成远场光强分布的理论模型，分别讨论了相干合成激光器数目、阵列占空比、相位、激光器 间的部分相干性以及偏振对相干合成远场光强分布的影响；对光纤放大器的相位噪声进行了理论研究，分析了光纤放大器相位噪声的产生机理，为控制电路 的设计提供理论指导；相位控制电路是整个锁相系统中最为关键的部分之一，它直接决定着相干合成的成败与否，论文根据外差探测的工作原理，设计了高 频相位检测与控制电路，外差探测的移频量为40 MHz，相位校正精度优于20，控制带宽大于10 KHz：论文对影

6、响控制精度，控制带宽等性能指标的因素 进行了分析，为控制电路的进一步优化和改进奠定了基础。 本文对MOPA方案光纤激光相干合成技术进行了深入的实验研究。首先用自主研制的相位检测与控制电路对输出功率为1W的光纤放大器的相位噪声进行了 实验研究和测量，功率为1W的光纤放大器的相位噪声的频率小于1KHz；然后采用两种相位控制方法实现了MOPA方案原型系统： 1爬山法。借鉴自适应光学中相位控制理论，提出用爬山法对MOPA方案中掺镱光纤放大器进行相位探测与校正。通过自动寻优的方式不断改变相位调制 器的控制电压，使系统输出保持在干涉最强处，爬山法系统的控制精度为10。实验实现了两路掺镱光纤放大器的相干合成

7、。 2外差法。外差法通过探测信号光和受调制的参考光的干涉信号的变化实现对信号光相位变化的测量，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。首次在国内用外差法实现了三路掺镱光纤放大器的相干合成输出，其中每路光纤放大器的输出功率1W，三路总功率3W。系统开环时 ，远场光斑为动态、模糊的干涉条纹，条纹可见度为6；系统闭环运行时，远场光斑为稳定、高对比度的干涉条纹，条纹可见度有大幅度提高，达到53。 这表明闭环控制使三路光纤激光的相位变化得到了有效补偿，系统实现了相位锁定运行和高相干度合成输出。 用外差法对主振荡功率放大器方案实现相位探测与校正时，对每路信号的相位控制都是独立进行的，

8、每一路的相位变化都是相对参考信号而言的，系统 多路扩展性强，可实现大功率相干合成输出。同时，论文的主振荡功率放大器方案可适用于固体激光器以及其它激光器的相干合成。 论文的工作为实现高功率激光器阵列的相干合成方案打下了理论和实验基础，具有重要的参考价值和应用实践意义。 10.期刊论文 侯静.肖瑞.刘泽金.姜宗福.HOU Jing.XIAO Rui.LIU Ze-jin.JIANG Zong-Fu 两种方法实现对掺镱光纤放 大器的相位校正 -强激光与粒子束2006,18(11 在光纤激光器阵列的相干合成技术中,主振荡并联放大器(MOPA方案最关键的技术是对光纤放大器进行相位控制与校正.本文用两种方

9、法分别对掺镱光纤 放大器进行了相位控制与校正.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,使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.实验系统中主振荡激光器的波长为1 083 nm,输出功率0100 mW连续可调.光纤相位调制器是铌酸锂相 位调制器.光纤放大器输出功率01 W连续可调,整个光路为全保偏光路.爬山法系统的工作频率为100 kHz,控制精度为/10;外差法系统的移频量为40 MHz,精度优于/20.在两类闭环控制过程中,铌酸锂相位控制器都很好地实现了光纤放大器的相位校正.该工作为实现光纤激光器阵列的相干合

10、成打下实验基 础. 引证文献(16条 1.周朴.马阎星.王小林.马浩统.许晓军.刘泽金 模拟退火算法光纤放大器相干合成期刊论文-强激光与粒子束 2010(5 2.任爱红.张蓉竹.孙年春 偏振方向对阵列光束远场能量分布的影响期刊论文-强激光与粒子束 2010(7 3.耿鹏程.侯蓝田.韩伟涛.庞辉 七芯光子晶体光纤耦合特性的研究期刊论文-燕山大学学报 2010(4 4.马阎星.王小林.周朴.马浩统.赵海川.许晓军.司磊.刘泽金.赵伊君 光纤激光器阵列的多抖动法相干合成期刊论文 -强激光与粒子束 2010(12 5.周朴.刘泽金.许晓军 湍流对相干合成与非相干合成远场光束质量的影响期刊论文-中国激光

11、 2009(5 6.马阎星.司磊.周朴.王小林.马浩统.李霄.许晓军.刘泽金 多抖动法主振荡功率放大器相干合成技术期刊论文-强激 光与粒子束 2009(11 7.周朴.王小林.马阎星.冷进勇.马浩统.王建华.许晓军.刘泽金 强泵浦条件下光纤放大器相位噪声的测量期刊论文强激光与粒子束 2009(11 8.史晓刚.窦汝海.荆帅.陈建国 相干合成系统的抖动对远场的影响期刊论文-激光技术 2009(5 9.于益.王卫民.鲁燕华.谢刚.彭跃峰.刘东 二极管激光光栅-外腔光谱合成技术模拟研究期刊论文-强激光与粒子束 2008(2 10.范馨燕.刘京郊.王涛涛.刘金生.武敬力 主动锁相光纤放大器相干合成技术研究进展期刊论文-半导体光电 2008(4 11.刘泽金.周朴.许晓军 高能光纤激光系统浅析期刊论文-强激光与粒子束 2008(11 12.闫爱民.刘立人.刘德安.周煜.职亚楠.鲁伟 光纤激光阵列锁相和孔径装填技术研究进展期刊论文-激光与光电子 学进展 2008(8 13.周朴.侯静.陈子伦.刘泽金 光纤激光器自组织相干阵列的理论分析期刊论文-强激光与粒子束 2007(5 14.周朴.侯静.陈子伦.刘泽金 高功率光纤激光的时间部分相干性对相干合成的影响期刊论文-强激光与粒子束 2007(8 15.陈子伦.侯静.周朴.姜宗福 光纤