CN100384033C - 一种主被动控制激光相干合成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主被动控制激光相干合成装置，利用激光腔内损耗机理实现相位的自调节和结合主动控制实现在高功率输出时仍然获得相位锁定，同时，可直接获得合成后的单一束激光输出。该装置包括至少两个谐振腔构成Vernier-Michelson谐振腔或Mach-Zehnder谐振腔或Fox-Smith谐振腔，检测器检测束分离器分出的输出光强，通过反馈控制相位变化，实现激光相干合成。本发明具有高效率、结构紧凑、能够实现大功率单一束激光输出和系统性能稳定的优点。

Description

一种主被动控制激光相干合成装置

技术领域

本发明涉及一种激光相干合成装置，特别是涉及一种通过主动控制与被动控制相结合来实现激光相干合成的装置。

背景技术

高功率和超高功率高亮度激光在工业、科研等应用中发挥着极其重要的作用。然而，对于单个激光器，若要同时获得输出超高功率和高亮度是非常困难的，这是因为受到内部物理因素以及结构因素的限制(例如热效应、非线性效应、损伤阈值、激光介质本身特性等)，如块状固体激光器可以输出很高的功率，但通常在大功率输出时光束质量变差；又如光纤激光器可实现高亮度激光输出，但单模功率也限制在kW量级。

多光束相干合成技术为解决上述难题提供了一条有效的途径，它可以同时获得高的输出功率和高亮度。因此最近几年，相干合成技术引起了国际科学界广泛的兴趣，是高功率激光技术研究的一个热点方向。目前已经发展了多种技术，主要可以归纳为主动控制技术和被动控制技术。主动控制技术是通过压电陶瓷或电光晶体等来控制每台激光器的相位，使其每台激光器的相位一致，从而实现相位锁定，最后再合成，如文献1：“Phase locking in a fiber laser array with varying pathlengths”，APPLIED PHYSICS LETTERS，Volume 85，Number 21，22 November 2004公开的方法。但是这种技术系统非常复杂，最大弱点是不稳定，这是因为热效应、应力等诸多因素都将严重影响激光器的相位，例如，温度每变化1度，对于10m的石英光纤，可能引起100个波长的相位变化，而且，变化速度非常快，一般压电陶瓷控制器可能还跟不上激光器的相位变化，所以导致了相位控制困难和系统不稳定。由于主动控制技术系统很不稳定，因此研究人员又提出了一些被动控制技术，例如：(1)倏逝波耦合技术，这种技术要求单个激光器必须足够小，并且相干后远场束中心是暗的；(2)环形Talbot腔技术，虽然这种技术在概念上是简单的和完美的，但实验中对位和模式控制相当困难；(3)自成像腔技术，这种技术输出多束相位锁定的激光，但很难合成单一光束输出，且每个激光器需要对称排列；然而，实现单一束相干合成输出是非常重要的，因为它减少了旁瓣的能量损失，增加了结合效率，同时集中了更大的中心能量。2002年，D.Sabourdy等提出采用Micherson腔技术进行相干合成，如文献2：[Appl.Phys.B，75，503]公开的技术。这种技术具有系统简单的特点，最大的特点是能够实现单一束输出，不需要额外的合成装置，而且效率高。然而，这种技术只能在一定功率下可以实现相干合成，如果升高泵浦功率，相位就不能经过自调节过程实现相位锁定。

激光相干合成技术目前在世界上仍处在探索阶段，发展更有效的相干合成新技术仍是目前实现高功率光源非常重要的课题，将对高功率光源的实用化及其进一步的发展具有十分重大的意义。因此，人们迫切需要一种高效率、大功率的激光相干合成装置。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种高效率、结构紧凑、能够实现大功率单一束激光输出和系统性能稳定的激光相干合成装置。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种主被动控制激光相干合成装置，如图1所示，包括至少两个泵浦源，至少两个激光谐振腔，至少两块激光介质，至少一输出耦合腔镜5，其中由第一全反腔镜1、45度全反镜3、束分离器4和输出耦合腔镜5构成第一激光谐振腔，由第二全反腔镜1’、束分离器4和输出耦合腔镜5构成第二激光谐振腔；第一激光介质2放置在第一激光谐振腔的光路中，第二激光介质2’放置在第二激光谐振腔的光路中；第一泵浦源13对第一激光谐振腔中的第一激光介质2泵浦，第二泵浦源14对第二激光谐振腔中的第二激光介质2’泵浦；还包括至少一检测器10置于束分离器4的一侧，所述检测器10与反馈控制器11、驱动器12顺序连接；所述驱动器12与第一泵浦源13或第二泵浦源14连接，通过控制第一泵浦源或第二泵浦源的电流来控制激光束的相位。

在上述技术方案中，所述驱动器12驱动压电陶瓷，通过压电陶瓷去控制第一全反腔镜1或第二全反腔镜1’来控制激光的相位变化。

在上述技术方案中，所述驱动器12驱动压电陶瓷，通过压电陶瓷去控制第一激光介质2或第二激光介质2’来控制激光的相位变化。

在上述技术方案中，还包括在所述第一激光介质2或第二激光介质2’上加磁致伸缩材料，或者在第一激光谐振腔或第二激光谐振腔内的光路上加声光相位调制器或电光相位调制器，由驱动器12驱动磁致伸缩材料，或者声光相位调制器或电光相位调制器去控制激光的相位变化。

在上述技术方案中，还包括在输出耦合腔镜5前加一扩束器或者准直器，用于扩大或者准直光束，以免在大功率下输出耦合腔镜5受到损伤。

在上述技术方案中，所述第一激光介质2和第二激光介质2’包括：单包层光纤、双包层光纤、单包层和双包层光子晶体光纤、微结构光纤、多芯光纤、多芯光子晶体光纤、锥形光纤或锥形光子晶体光纤。

在上述技术方案中，所述第一激光介质2和第二激光介质2’包括：氧碘、HF、DF、HCL、He-Ne、铜蒸气、金蒸气、碘原子、氩离子、氪离子、氦-镉离子、CO₂分子、分子、氮分子、准分子、YAG、YVO、GGG、YLF、YAP、钛宝石、LiSAF、Er玻璃、红宝石、GaInAsP/InP、GaInNAs/GaAs、GaInAs/GaAs、GaAlAs/GaAs、GaAlInP/GaAs、ZnSSe/ZnMgSSe、GaInAlN/GaAlN、GaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs半导体激光介质。

在上述技术方案中，所述第一全反腔镜1和第二全反腔镜1’包括：平面镜、非平面镜、光纤光栅、Bragg反射镜或直接镀有反射膜的激光介质的端面。

在上述技术方案中，所述束分离器4包括：光纤耦合器或介质膜镜片。

在上述技术方案中，所述输出耦合腔镜5包括平面镜、非平面镜或Bragg反射镜。

在上述技术方案中，所述第一泵浦源13和第二泵浦源14包括：闪光灯、电激励源、半导体激光器、固体激光器；所述第一泵浦源13和第二泵浦源14的泵浦方式为侧泵或端泵。

在上述技术方案中，所述第一激光谐振腔和第二激光谐振腔构成Vernier-Michelson谐振腔、Mach-Zehnder谐振腔或Fox-Smith谐振腔。

与现有技相比，本发明的有益效果是：

1)可以直接产生单一束激光相干合成输出；

2)相干结合效率高，而且在高功率下也同样能实现相位锁定，

3)稳定性高：利用激光频率的自调节过程并结合主动控制技术去适应激光相位的改变来实现激光相干合成，由于相干过程的频率相位变化是一个自选择和适应过程，从而提高系统稳定性；

4)可实现更多路激光器相干合成来输出更大的功率。

附图说明

图1是本发明的主被动控制激光相干合成装置结构框图；

图2是本发明的两光子晶体光纤主被动控制激光相干合成装置结构框图；

图3是本发明的两传统光纤激光主被动控制激光相干合成装置结构框图；

图4是本发明的两垂直腔面发射激光器的相干合成装置结构框图；

图5是本发明的四路主被动控制激光相干合成装置结构框图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供的主被动控制激光相干合成装置，是利用激光腔内损耗机理实现相位的自调节和结合主动控制实现在高功率输出时仍然获得相位锁定的，同时，可直接获得合成后的单一束激光输出。其中利用腔内损耗机理实现自调节是被动控制相位的技术，其原理是：利用Vernier-Michelson谐振腔或Mach-Zehnder谐振腔或Fox-Smith谐振腔，在谐振腔内，只有那些频率相同、位相差为零，偏振一致的两束或者多束激光在腔内的损耗才是最小的，也就是说具有完全相干条件的激光纵模将在腔内优先振荡起来，从而通过输出耦合器可输出相干合成的激光。然而，这种情况只能在低的泵浦功率条件下才可能实现完全的相干合成，随着泵浦功率的升起，那些相位差较小但不为零的激光纵模也将在腔内振荡起来；泵浦功率再继续增加，则可能任何相位差的激光纵模都将在腔内振荡起来，因此，仅利用腔内被动控制技术只能在低功率时实现激光的相位锁定和相干合成，在高功率时就已经不能实现相位锁定；在高功率时采用主动控制相位技术，就可以实现高功率相干合成输出，从而克服单纯被动控制技术的不足。当然，仅仅主动控制技术也是不足的，这是因为外界因数对激光相位的影响太大、太快，主动控制是很难实现所有激光束的相位一致的。当主被动控制技术两者结合时，假如初期泵浦光功率为P0，两束或多束激光完全相干，当泵浦光功率增大到为P1时，两束或者多束激光的相位差略大于零也将在腔内振荡，已经不再完全相干，不过这时候更大位相差的激光频率是不能在腔内振荡，因为它们的损耗相对而言还是太大，不能得到足够的增益，因此在腔内，虽然位相差不为零，但不会相差太大，此时主动控制可以将其相位校正回来；采用主动控制后，两束或多束激光此时又可以完全相干，当功率继续增大时，这些已经完全相干的纵模将已经得到足够的增益而优先振荡，最后，即使功率再大，也能完全实现相干合成。

实施例1

参考图1，制作一输出波长为1064nm的主被动控制激光相干合成装置；

图中，第一全反腔镜1和第二全反腔镜1’采用全反射平面镜；45度全反镜3为一块普通石英镜片；束分离器4为传统的50/50平面镜；第一激光介质2和第二激光介质2’为钆镓石榴石GGG；输出耦合腔镜5为普通石英腔镜，其透过率为50％；其中，第一全反腔镜1和第二全反腔镜1’、45度全反镜3、束分离器4和输出耦合腔镜5构成Michelson谐振腔；第一泵浦源13和第二泵浦源14均为波长为808nm的半导体激光器，采用端泵方式。在低功率泵浦时，谐振腔内两束激光在束分离器4的右侧相干合成，根据腔内损耗机理，在束分离器4的下侧将没有光泄漏出来，但泵浦功率升起时，这时相位将不能自动锁定在0相位差，会有激光从束分离器4的下面泄漏出来，在这个位置放置一个检测器10，该探测器为常规光电转换器；检测器10将检测的信号送到反馈控制器11中，输出的控制信号经驱动器12转换为驱动信号来控制第二泵浦源14中泵浦源的电流，通过泵浦源的电流变化去改变腔内激光的相位，使两束激光的相位再次锁定在0相位差，最后在束分离器4的右侧将相干合成一束激光输出。其中，反馈控制器11由常规电路组成。

实施例2

参考图2，制作一输出波长为1070nm的光子晶体光纤主被动控制激光相干合成装置。图2表示的装置结构基本与图1相同，所不同的是：

第一泵浦源13和第二泵浦源14采用975nm半导体激光器；第一全反腔镜1和第二全反腔镜1’均采用光纤光栅，该光纤光栅对波长1070nm高反射、两准直透镜6和6’；第一激光介质2和第二激光介质2’采用掺镱双包层光子晶体光纤；在第一激光介质2和第二激光介质2’的后方光路上分别放置第一准直透镜6和第二准直透镜6’；在第二激光介质2’的光子晶体光纤上固定压电陶瓷7；光电检测器10将检测的信号送到反馈控制器11中，反馈控制器11输出的控制信号经驱动器12转换为驱动信号去驱动压电陶瓷7，通过压电陶瓷7来改变该谐振腔内激光的相位，使两束激光的相位稳定锁定在0相位差，最后在束分离器4的右边将相干合成一束激光输出，从而实现两光子晶体光纤激光器相干输出1070nm波长的激光。

实施例3

参考图3，制作一光纤激光主被动控制激光相干合成装置。

采用两个波长为975nm的半导体激光器作为第一泵浦源13和第二泵浦源14；第一全反腔镜1和第二全反腔镜1’均为常规全反平面镜；第一激光介质2和第二激光介质2’均采用掺镱双包层传统光纤；光纤耦合器9充当了束分离器，该光纤耦合器9分束比为为50/50，并将其输出到检测器10的一端打磨成楔形，以防止和光纤另外一端构成谐振腔；磁致伸缩材料8被固定在第二激光介质2’的传统光纤上。在光纤耦合器9的下面通过安装一个光电转换器作为检测器10用来探测分束出来的激光，然后将检测的信号送到反馈控制器11中，反馈控制器11输出的控制信号经磁场驱动器12转换为驱动信号去驱动磁致伸缩材料8，通过磁致伸缩材料8的伸缩去改变该谐振腔内激光的相位，使两束激光的相位稳定锁定在0相位差，最后在光纤耦合器9的右边将相干合成一束激光输出，从而实现两传统光纤激光器相干合成输出。

实施例4

参照图4，制作两垂直腔面发射激光器的相干合成装置。

第一泵浦源13和第二泵浦源14均采用电激励源；第一全反腔镜1和第二全反腔镜1’均采用Bragg反射镜；用两块GaAs/AlGaAs垂直腔面发射的激光介质分别作为第一激光介质2和第二激光介质2’；45度全反镜3为一块石英镜片；束分离器4为传统的50/50平面镜；第一全反腔镜1和第二全反腔镜1’、45度全反镜3以及输出耦合腔镜5组成Michelson谐振腔；在第二激光介质2’与束分离器4之间的光路上安放电光相位调制器20；在束分离器4的下面通过安装一个光电转换检测器10，检测器10将检测的信号送到反馈控制器11中，反馈控制器11输出的控制信号经驱动器12转换为驱动信号去驱动电光相位调制器20，通过电光相位调制器20去改变该谐振腔内激光的相位，使其两束激光的相位稳定锁定在0相位差，最后在束分离器4的右边将相干合成一束激光输出。

本实施例中的电光相位调制器20还可以替换为声光相位调制器。

实施例5

参考图5，制作一四路主被动控制激光相干合成装置。

图5中所示的本实施例结构包括两套光电检测和控制部分，该光电检测和控制部分与实施例1相同，其它不同之处如下：

第一全反腔镜1、第二全反腔镜1’、第三全反腔镜1”和第四全反腔镜1”’均采用常规的平面反射镜；第一45度全反镜3、第二45度全反镜3’和第三45度全反镜3”均为石英镜片；第一束分离器4、第二束分离器4’和第三束分离器4”均为50/50平面镜；第一激光介质2和第二激光介质2’均采用Nd:YAG；第三激光介质2”和第四激光介质2”’均为Nd:YAG；输出耦合腔镜5采用石英腔镜，其透过率为50％；其中第一全反腔镜1和第二全反腔镜1’、第一45度全反镜3、第一束分离器4和输出耦合腔镜5构成第一Michelson腔；第三全反腔镜1”和第四全反腔镜1”’、第二45度全反镜3’、第二束分离器4’、第三45度全反镜3”、第三束分离器4”、输出耦合腔镜5构成第二Michelson腔；如图中所示，四路激光的激光泵浦源都为808nm半导体激光器，其中第一Michelson腔采用端泵方式，第二Michelson腔采用侧泵方式；四路激光经输出耦合腔镜5相干合成一束大功率激光输出。

本实施例中的第一全反腔镜1、第二全反腔镜1’、第三全反腔镜1”和第四全反腔镜1”’还可以采用Bragg反射镜。

Claims (9)

1.一种主被动控制激光相干合成装置，包括：至少两个泵浦源，至少两个激光谐振腔，至少两块激光介质，至少一输出耦合腔镜(5)；其特征在于：

第一全反腔镜(1)、45度全反镜(3)、束分离器(4)和所述输出耦合腔镜(5)构成第一激光谐振腔；第二全反腔镜(1’)、束分离器(4)和所述输出耦合腔镜(5)构成第二激光谐振腔；第一激光介质(2)放置在第一激光谐振腔的光路中，第二激光介质(2’)放置在第二激光谐振腔的光路中；第一泵浦源(13)对第一激光谐振腔中的第一激光介质(2)泵浦，第二泵浦源(14)对第二激光谐振腔中的第二激光介质(2’)泵浦；至少一检测器(10)置于束分离器(4)的一侧，所述检测器(10)与反馈控制器(11)、驱动器(12)顺序连接；所述驱动器(12)与第一泵浦源(13)或第二泵浦源(14)连接，通过控制泵浦源的电流来控制激光束的相位。

2.根据权利要求1所述的主被动控制激光相干合成装置，其特征在于，所述驱动器(12)驱动压电陶瓷，通过压电陶瓷控制第一全反腔镜(1)或第二全反腔镜(1’)来控制激光的相位变化。

3.根据权利要求1所述的主被动控制激光相干合成装置，其特征在于，所述驱动器(12)驱动压电陶瓷，通过压电陶瓷控制第一激光介质(2)或第二激光介质(2’)来控制激光的相位变化。

4.根据权利要求1所述的主被动控制激光相干合成装置，其特征在于，还包括在所述第一激光介质(2)或第二激光介质(2’)上加磁致伸缩材料，或者在所述第一激光谐振腔或第二激光谐振腔内的光路上加声光相位调制器或电光相位调制器，由驱动器(12)驱动磁致伸缩材料，或者声光相位调制器或电光相位调制器去控制激光的相位变化。

5.根据权利要求1所述的主被动控制激光相干合成装置，其特征在于，还包括在输出耦合腔镜(5)前加一扩束器或者准直器，用于扩大或者准直光束。

6.根据权利要求1所述的主被动控制激光相干合成装置，其特征在于，所述第一激光介质(2)和所述第二激光介质(2’)包括：单包层光纤、双包层光纤、单包层和双包层光子晶体光纤、微结构光纤、多芯光纤、多芯光子晶体光纤、锥形光纤或锥形光子晶体光纤。

7.根据权利要求1所述的主被动控制激光相干合成装置，其特征在于，所述第一激光介质(2)和所述第二激光介质(2’)包括：氧碘、HF、DF、HCL、He-Ne、铜蒸气、金蒸气、碘原子、氩离子、氪离子、氦-镉离子、CO₂分子、CO分子、氮分子、准分子、YAG、YVO、GGG、YLF、YAP、钛宝石、LiSAF、Er玻璃、红宝石、GaInAsP/InP、GaInNAs /GaAs、GaInAs/GaAs、GaAlAs/GaAs、GaAlInP/GaAs、ZnSSe/ZnMgSSe、GaInAlN/GaAlN、GaAs/AlGaAs或InGaAs/GaAs。

8.根据权利要求1所述的主被动控制激光相干合成装置，其特征在于，所述第一全反腔镜(1)和第二全反腔镜(1’)包括：平面镜、非平面镜、光纤光栅、Bragg反射镜、直接镀有反射膜的激光介质的端面；所述输出耦合腔镜(5)包括：平面镜、非平面镜、Bragg反射镜；所述束分离器(4)是包括光纤耦合器或介质膜镜片。

9.根据权利要求1所述的主被动控制激光相干合成装置，其特征在于，所述第一泵浦源(13)和第二泵浦源(14)包括：闪光灯、电激励源、半导体激光器、固体激光器；所述第一泵浦源(13)和第二泵浦源(14)的泵浦方式为侧泵或端泵。

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