CN100546131C - 基于重叠体光栅的多路光纤激光相干组束装置及相干组束方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于重叠体光栅的多路光纤激光相干组束装置及相干组束方法。装置包括光纤光栅一侧依次分别连接光纤耦合器、掺杂双包层光纤、透镜、二色镜、反射镜、偏振控制器、反射镜、重叠体光栅、输出耦合镜。该方法可实现多路光纤激光相干组束，且无需对各光束进行复杂位相检测与控制。通过共用输出耦合镜与光纤光栅构成的谐振腔，各光束的位相实现互锁。通过重叠体光栅，各光束在近场和远场都实现相干叠加，达到大幅提升光纤激光输出功率和亮度的目的。结构简单，系统复杂性不随被组束光纤激光数目的增加而增大。可广泛应用于需要大功率光纤激光作为光源的领域，可获取大功率、高光束质量、紧凑的高能激光器系统。

Description

基于重叠体光栅的多路光纤激光相干组束装置及相干组束方法

技术领域

本发明涉及一种激光技术，具体涉及一种基于重叠体光栅的多路光纤激光相干组束装置及相干组束方法。

背景技术

研制大功率、高光束质量、高效、紧凑的高能激光器系统，以满足各种应用特别是军事上的需求，是世界各国长期探索研究的目标。光纤激光器具有高效、紧凑、光束质量好、散热特性好和输出功率稳定性高等特点，且光纤的柔韧性使其能够通过弯曲而灵活地适应不同的安装环境而不影响光束的输出。因此，光纤激光器的竞争力远远超过其它激光器，拥有巨大的市场，在工业、医疗和军事上具有广阔的应用前景。在工业和医疗领域，光纤激光器可用于焊接与切割、焊缝清理、激光雕刻、打孔、产品打标、激光检测和测量、激光成像、激光雷达系统以及激光医疗、医疗器械微加工等各个方面。在军事上，高功率(100kW以上)的激光器可用于构建地基、空基、星基和舰载高能激光武器系统，实现对敌导弹、飞机、卫星等目标的有效打击，对于防空、防天和光电对抗等领域具有重要的战略和战术意义。近年来，随着大模式面积双包层光纤的出现以及高功率半导体激光器抽运技术的发展，光纤激光器的输出功率大幅提高，单个光纤激光器的输出功率已超过千瓦。然而，由于受到掺杂光纤的非线性效应、光学损伤及热损伤等物理机理的限制，上述单个光纤激光器的输出功率很难满足高能激光器系统的大功率要求。要想大幅提高单个激光器的输出功率不仅相当困难，而且费用非常昂贵。同时，随着输出功率的提高，单个光纤激光器存在光束质量变差等缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，使用方便，成本低，能大幅度提高激光器的输出功率和亮度的基于重叠体光栅的多路光纤激光相干组束装置。

本发明的另一目的是提供激光相干组束方法。

为了克服现有技术的不足，本发明所要解决的技术方案是这样实现的：一种基于重叠体光栅的多路光纤激光相干组束装置，其该发明有突出的实质性特点和显著的进步在于一个光纤光栅(1)连接一个光纤耦合器(2)，其光纤耦合器(2)的右侧分别连接至少两根掺杂双包层光纤(3)，每根掺杂双包层光纤(3)的右侧均置有透镜(4)，每个透镜(4)的右侧置有二色镜(5)，二色镜(5)与反射镜(7)之间置有偏振控制器(6)构成光路，反射镜(7)右侧置有重叠体光栅(8)，重叠体光栅(8)右侧置有输出耦合镜(9)，其中，光纤光栅、光纤耦合器、重叠体光栅和输出耦合镜为整个光路共享。输出耦合镜输出组束光。所说重叠体光栅是指在光学介质的同一区域内通过全息方法记录得到的具有一定厚度的多个光栅。

所述的基于重叠体光栅的多路光纤激光相干组束装置，包括：

a、一个光纤光栅构成多个光纤激光器谐振腔的一边时，各激光的波长与光纤光栅的工作波长相匹配时，各光纤激光器工作于同一波长；

b、一个光纤光栅和输出耦合镜构成光学谐振腔；

c、一个光纤光栅和输出耦合镜构成多路光纤激光的共用谐振腔，输出耦合镜将组束功率的一部分能量反馈回各光纤激光器中，各光纤激光器的光学振荡互相牵制，各光纤激光的相位互锁；

d、一个重叠体光栅是一个组束器，同时还是一个分束器，它既可将多路满足Bragg条件的入射光纤激光按Bragg角沿同一方向衍射；同时，还可将输出耦合镜反射回来的光束衍射成多路子光束；

e、一个重叠体光栅的双向复用，既可实现对多路光纤激光的组束，也可使输出耦合镜反射回来的激光衍射成多束反馈回各光纤激光器实现各光纤激光器输出光束的相位互锁；

f、一个掺杂双包层光纤中受激发射的激光通过光纤耦合器耦合进入光纤光栅；

g、一个重叠体光栅是在光学介质的同一区域内通过全息方法记录得到的具有一定厚度的多个光栅，其光栅的数目与需要组束光纤激光的数目相等；

h、一个当光束k₁和k_i其中i＝1，2，…，N分别以体光栅K_G1和K_Gi确定的Bragg角α₁和α_i入射，它们的衍射光沿同一方向出射，体光栅的光栅矢量K_G1和K_Gi之间有一夹角φ_i，该夹角由Bragg条件cos(φ_i-β)＝K_Gi/2k决定，其中β是衍射光与z轴正方向的夹角，即Bragg角，K_Gi＝2π/d_i，d_i是第i个光栅的光栅常数，k＝2πn/λ是光束在光学介质中的传输常数，λ是入射光的波长，n是光学介质的平均折射率。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、通过共用一个光纤光栅可使各路光纤激光器工作在同一光学波长；

2、通过重叠体光栅，可使各路光纤激光实现近场和远场相干叠加，达到大幅提升光纤激光输出功率和亮度的目的；

3、通过共用光纤光栅与输出耦合镜构成的谐振腔，无需复杂的位相检测与控制，可实现各路光纤激光的位相互锁，实现共长干涉输出的目的；

4、结构简单，系统复杂性不随被组束光纤激光数目的增加而增大。

附图说明

图1为本发明装置结构原理示意图；

图2为图1重叠体光栅组束原理图；

具体实施方式

附图为本发明的实施例。

下面结合附图对本发明的内容作进一步说明：

图1所示，一种基于重叠体光栅的多路光纤激光相干组束装置，其一个光纤光栅(1)连接一个光纤耦合器(2)，其光纤耦合器(2)的右侧分别连接至少两根掺杂双包层光纤(3)，每根掺杂双包层光纤(3)的右侧均置有透镜(4)，每个透镜(4)的右侧置有二色镜(5)，二色镜(5)与反射镜(7)之间置有偏振控制器(6)构成光路，反射镜(7)右侧置有重叠体光栅(8)，重叠体光栅(8)右侧置有输出耦合镜(9)，其中，光纤光栅、光纤耦合器、重叠体光栅和输出耦合镜为整个光路共享，输出耦合镜9输出组束光10，所述输出耦合镜是指反射率约为4％的透射/反射镜，此外，光纤耦合器、输出耦合镜、偏振控制器均有成熟的市售产品，是同领域的普通技术人员熟知的产品。

所述的基于重叠体光栅的多路光纤激光相干组束装置，包括：

a、一个光纤光栅构成多个光纤激光器谐振腔的一边时，各激光的波长与光纤光栅的工作波长相匹配时，各光纤激光器工作于同一波长；

b、一个光纤光栅和输出耦合镜构成光学谐振腔；

c、一个光纤光栅和输出耦合镜构成多路光纤激光的共用谐振腔，输出耦合镜将组束功率的一部分能量反馈回各光纤激光器中，各光纤激光器的光学振荡互相牵制，各光纤激光的相位互锁；

d、一个重叠体光栅是一个组束器，同时还是一个分束器，它既可将多路满足Bragg条件的入射光纤激光按Bragg角沿同一方向衍射；同时，还可将输出耦合镜反射回来的光束衍射成多路子光束；

e、一个重叠体光栅的双向复用，既可实现对多路光纤激光的组束，也可使输出耦合镜反射回来的激光衍射成多束反馈回各光纤激光器实现各光纤激光器输出光束的相位互锁；

f、一个掺杂双包层光纤中受激发射的激光通过光纤耦合器耦合进入光纤光栅；

g、一个重叠体光栅是在光学介质的同一区域内通过全息方法记录得到的具有一定厚度的多个光栅，其光栅的数目与需要组束光纤激光的数目相等；

h、一个当光束k₁和k_i其中i＝1，2，…，N分别以体光栅K_G1和K_Gi确定的Bragg角α₁和α_i入射，它们的衍射光沿同一方向出射，体光栅的光栅矢量K_G1和K_Gi之间有一夹角φ_i，该夹角由Bragg条件cos(φ_i-β)＝K_Gi/2k决定，其中β是衍射光与z轴正方向的夹角，即Bragg角，K_Gi＝2π/d_i，d_i是第i个光栅的光栅常数，k＝2πn/λ是光束在光学介质中的传输常数，λ是入射光的波长，n是光学介质的平均折射率。

如图1所示，为了使各光纤激光器都工作在同一波长，方案中采用了1xN光纤耦合器和一个光纤光栅。各掺杂双包层光纤中受激发射的激光通过光纤耦合器耦合进入光纤光栅，由于光纤光栅具有较窄的波长选择性，只有当激光波长与光纤光栅的工作波长相匹配时，才能形成有效的光束反馈，从而迫使各光纤激光器以相同的波长工作。

通过重叠体光栅使各路激光实现相干叠加：

重叠体光栅就是在光学介质的同一区域内通过全息方法记录得到的具有一定厚度的多个光栅，光栅的数目与需要组束光纤激光的数目相等。由于体光栅具有较窄的频谱选择性，特定波长的光束只有完全满足或接近Bragg角(该角度由体光栅决定)入射时才具有高的衍射效率，而当入射光束不满足Bragg条件时其衍射效率很低或接近于0。

为了引入光学反馈，在重叠体光栅之后加入了一个输出耦合镜，由该输出耦合镜与光纤光栅共同构成一个光学谐振腔。输出耦合镜可将组束光功率的一小部分反射进入重叠体光栅。由于一个好的组束器同时也是一个好的分束器，因此通过重叠体光栅双向复用可使输出耦合镜反射进入重叠体光栅的光束被各个体光栅分别按各自的Bragg角衍射，形成多束衍射光。这些衍射光又分别耦合进入各个光纤激光器中形成光学反馈，这样不同光纤激光器的能量都有一部分进入到其它光纤激光器中，从而使各光纤激光器的光振荡互相牵制，达到相位互锁的目的。

图2所示，光束k₁和k_i(i＝1，2，…，N)分别以体光栅K_G1和K_Gi确定的Bragg角α₁和α_i入射，为了使它们的衍射光沿同一方向出射(即实现组束)，体光栅设计成使光栅矢量K_G1和K_Gi之间有一特定的夹角φ_i，该夹角由Bragg条件cos(φ_i-β)＝K_Gi/2k决定，其中β是衍射光与z轴正方向的夹角，即Bragg角，K_Gi＝2π/d_i，d_i是第i个光栅的光栅常数，k＝2πn/λ是光束在光学介质中的传输常数，λ是入射光的波长，n是光学介质的平均折射率。由于各掺杂光纤输出激光的偏振方向可能会产生随机的变化，因此在图1所示的光路中加入了偏振控制器，使各路激光在入射重叠体光栅之前保持其偏振方向相同以满足光束相干条件(即同频率、同偏振、位相差恒定)。

光纤光栅与输出耦合镜构成谐振腔，实现各路光纤激光的位相互锁：

综上所述，本发明首先通过共用同一个光纤光栅迫使各光纤激光器工作在同一波长，然后通过输出耦合镜与光纤光栅构成的谐振腔，可使各光束的位相锁定，最后通过重叠体光栅，可使各光束在近场和远场都实现相干叠加，达到大幅提升光纤激光输出功率和亮度的目的。该方案无需对各光束进行复杂的位相检测与控制，可实现多路光纤激光的相干组束，可广泛应用于需要大功率光纤激光作为光源的领域，对设计获取大功率、高光束质量、高效、紧凑的高能激光器系统具有重要意义。

实施例1

2路光纤激光相干组束实施例

光纤光栅的谐振波长为1550nm，其反射率约为95％；采用分光比为50∶50的1×2光纤耦合器；掺杂光纤为铒镱共掺大模式面积双包层光纤，长度均分别约为1m；透镜焦距均约为1.5cm；泵浦源均工作在980nm波长附近，每个泵浦源的最大输出功率约为20W；两根掺杂光纤的在泵浦光激励下输出激光功率分别为5.6W和6.2W；由于光纤光栅的频谱选择性，两根掺杂光纤输出激光的波长均为1550nm；二色镜对980nm光波的反射率约为100％，对1550nm光波的透射率约为100％；调整偏振控制器分别使2路掺杂光纤的输出激光的偏振方向相同(垂直于纸面)；两个反射镜对1550nm光波以45°角入射时的反射率约为98％；两个体光栅重叠在重铬酸盐晶体的同一区域内，体光栅1的矢量与晶体表面平行，与体光栅2的矢量的夹角约为3.6°；调整反射镜，分别使2路掺杂光纤的输出激光以角度α₁＝11.9271°和α₂＝8.3271°对应入射体光栅1和体光栅2，相干组束激光的输出角β＝11.9271°，组束功率约为10.2W，组束效率为86％；输出耦合镜对1550nm光波的反射率约为4％，其将组束功率的一部分反射进入重叠体光栅衍射成2束光，这两束光沿原路相反的方向分别进入2路掺杂光纤中形成光学反馈，从而使2路掺杂光纤的振荡互相牵制，实现相位互锁。

对多路光纤激光的组束只需要改变光纤耦合器、掺杂光纤、泵浦光源、透镜和反射镜的数目，同时体光栅的数目也需要与需要组束激光的数目一致。

实施例2

如实现4路激光组束，只需要采用1×4光纤耦合器，4根长度基本相同的掺杂光纤，4个相应波长的泵浦源(若是铒镱共掺光纤，泵浦源波长应在980nm附近)，4个透镜，4个二色镜和4个反射镜，同时在光学介质中应事先记录4个体光栅，光栅矢量间的夹角由Bragg条件确定，这样即可实现4路光纤激光的相干组束。

Claims (1)

1、一种基于重叠体光栅的多路光纤激光相干组束装置，构成该装置的各部件之间的关系为：一个光纤光栅的右侧连接一个光纤耦合器的左侧，该光纤耦合器的右侧分别连接至少两根掺杂双包层光纤的左侧，每根掺杂双包层光纤的右侧均置有一个透镜，每个透镜的右侧均置有一个二色镜，每个二色镜的右侧均置有一个偏振控制器，每个偏振控制器的右侧均置有一个反射镜，所有反射镜的右侧置有一个共用的重叠体光栅，该重叠体光栅的右侧置有一个输出耦合镜，其中，所述光纤光栅和所述输出耦合镜构成光学谐振腔，泵浦光通过所述二色镜输入到所述光学谐振腔中，每根掺杂双包层光纤中受激发射的激光通过所述光纤耦合器耦合进入所述光纤光栅，所述反射镜将各路激光偏转后入射到所述重叠体光栅，所述重叠体光栅既实现对多路光纤激光的组束，也使所述输出耦合镜反射回来的激光衍射成多束反馈回各光纤激光器实现各光纤激光器输出光束的相位互锁，所述偏振控制器使各路激光在入射所述重叠体光栅之前保持其偏振方向相同。