CN102646916A - 大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法。该方法具体为：首先激光器为多路单模子激光合束的结构，对每一路子光源进行放大，同时每一路中含有相位调制器件，能够实现锁相功能，实现稳定的光场输出。然后使用光纤合束器，将多路放大后的激光合束进一根传能光纤，利用传能光纤实现高功率的激光输出。其次在传能光纤输出端采用优化式自适应光学系统对出射多模激光进行净化。该方法采用新结构分步实现光纤激光器高功率和高亮度输出，有效解决了传统相干合成对子光束空间拼接的要求，系统不稳定性及多模光纤激光光束质量差等问题，能有效提高光纤激光器输出激光亮度，同时实现了全光纤结构，充分利用成熟的单模光纤激光器技术和光束净化技术，简化了高功率光纤激光器的系统结构，降低了系统成本。

Description

大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，特指一种能实现全光纤结构光纤激光高亮度输出的新方法。本方法提出了大功率光纤激光相干合成的新结构，使用主动相位控制及自适应光学技术对大功率光纤激光进行光束控制，能实现全光纤结构的高亮度光纤激光输出。

背景技术

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点，近年来发展迅速。与传统的固体和化学激光器相比，光纤激光器结构简单，具有易于制造和维护等优势，使其在远程焊接、三维切割等工业领域得到了广泛的应用，并在国防军事领域也有着良好的应用潜力。

虽然光纤激光器作为新一代高能激光光源已经得到广泛应用，但是受到掺杂光纤热损伤、非线性效应等物理机制的限制，单模光纤激光器的输出功率有限。根据理论分析，光纤的损伤阈值、各种非线性效应阈值均与光纤的模场面积成正比，而单模光纤纤芯直径小（一般单模光纤纤芯直径小于6um），导致其损伤阈值和非线性效应阈值低，难以实现高功率输出。为实现更高的亮度输出，一种重要的技术途径是采用激光器相干合成的方法。即激光器采用多模块结构，控制各单元(孔径)激光器输出光束的相位达到锁相输出，实现光束的相干合成。一方面，在保持光束质量的同时提高了输出光束的功率，实现了亮度的提高；另一方面，模块化的结构分散了热效应，有利于克服“热”造成的高能激光平均亮度下降。基于相干合成的高能激光系统同时解决了亮度和热管理两个难题，已经成为高能激光系统发展的重要方向。相干合成光纤激光阵列构成的高能激光系统与传统单孔径高能光纤激光系统相比，在系统成本、热管理以及光束控制等方面具备明显优势，近年来国际上掀起了光纤激光相干合成技术研究的热潮。

传统的相干合成技术其子孔径采用空间拼接，因此最终的亮度受占空比等因素制约。特别是在高功率，多路数的条件下，如何有效提高子孔径间的占空比是传统的相干合成进一步发展必须克服的问题。此外由于空间结构带来的光路调节困难直接影响相干合成的可扩展性及系统的稳定性。

全光纤结构能有效解决空间结构引起的系统不稳定等问题，但全光纤结构一般用于非相干合成。目前，美国IPG光子技术公司采用全光纤结构实现了50kW的多模激光输出，由于是非相干合成即仅仅是单纯的功率合成，不能提高输出激光的光束质量，且输出端采用多模光纤，因此该激光器光束质量较差。据报导其30kW连续波输出时，光束质量约为                                                

，大于10倍衍射极限，50kW连续波输出时，光束质量大于20倍衍射极限；随着合成路数的增加，光束质量还将退化，不能实现高亮度输出。

光束净化被认为是一种提高激光光束质量的有效手段已经广泛应用于固体/气体激光器领域。光束净化的概念最早由美国休斯实验室的奥麦拉于1969年提出。该实验室将多元高频振动法即多抖动法用于激光发射并对此开展了近十年的研究。目前光束净化主要有两种方案，一种是基于波前传感的传统自适应光学方案即波前共轭式，一种是基于优化算法的优化自适应光学方案即优化式。从控制方法的角度看：波前共轭式，先用波前传感器测量波前畸变获得相位畸变分布，然后根据相位共轭原理通过控制波前变形元件产生共轭相位以补偿相位畸变；而优化式则是将存在波前畸变的光学系统作为一个待优化的控制系统，应用最优控制理论控制波前变形元件，使得反映系统性能的评价函数达到唯一极值，以达到消除系统波前畸变的目的。与波前共轭式相比，优化式技术结构紧凑，不需要复杂的波前探测和波前重构、计算量小，可以不受闪烁效应等畸变条件的限制，更适合应用于高功率激光条件下。特别是随着以随机并行梯度下降算法(stochastic parallel gradient descent, SPGD)为代表的高速算法的出现，极大加快了系统的迭代速度，使得基于优化算法的自适应系统具有校正快速波前畸变的能力，拓展了应用范围。

光束净化只能作用于相干光源，对于功率合成即非相干合成，由于多路光束相位的高速随机变化，无法进行光束净化控制，不能提高其激光亮度。我们发现，采用主动相位控制，能够实现主振荡器功率放大（Master Oscillator Power Amplifier, MOPA）结构合成的多模光纤输出光的相位锁定，得到稳定的高阶模输出。此时，输出激光具有相干性，因此可以用光束净化系统对其进行控制，提高光束质量，实现高亮度的光纤激光输出。全光纤结构相干合成及将相干合成光束进行光束净化，在本发明之前从未有相关报道。

发明内容

为实现光纤激光器的高亮度输出，本发明提出了一种新型全光纤结构的相干合成方法，采用主动相位控制及自适应光学技术实现光纤激光器的高亮度输出。

本发明提出的大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法包括激光器、全光纤光束合成器件、相位控制器及光束净化装置四部分，激光器采用多路单模光纤激光器合束的方式，采用主振荡-功率放大（Master Oscillator Power-Amplifier，MOPA）方式，利用成熟的单模光纤激光器技术产生每一路子激光。然后使用全光纤光束合成器件：光纤合束器，将各支路单模激光合并进一根多模光纤，由于多模光纤具有较大的纤芯半径，因此能承受高功率的激光输出。由于最后的多模激光只是将各支路激光合并，所以可以合适选择多模光纤的长度并将其伸展固定，避免盘绕引起的弯曲损耗等问题。通过激光合束，将多路激光合束进单根多模光纤，有效解决了相干合成空间拼接占空比低这一问题。同时使得激光实现全光纤结构，增强了系统的稳定性。

相位控制器包括相位控制模块和性能评价模块，性能评价模块包括探测模块和控制模块，在激光器子光路中接入相位控制器，通过探测模块对输出光场取样，控制模块进行数据处理并产生控制信号加载在相位调制器上，实现对各路激光相位的锁定。通过相位控制器，能够实现稳定的光强输出，解决了合束器输出光场不稳定等问题。

光束净化装置采用优化式自适应光学系统。优化式自适应光学系统采用的优化算法为随即并行梯度下降算法、模拟退火算法或遗传算法的一种。典型的优化式自适应光学系统包括性能评价模块和波前校正器，其中性能评价模块包括探测模块和控制模块，探测模块负责采样激光性能函数的采集，而控制模块主要负责信号的处理，运算并产生波前校正器的控制信号。波前校正器对出射的多模激光进行相位调制，实现光束净化的目的。通过光束净化，能够调高光束质量，解决多模光纤激光光束质量差等问题。

本发明的大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制系统结构为：激光器种子激光N路，每一路种子激光器1-i(i=1,2,…N)含有相位调制器2-i(i=1,2,…N)，并熔接光纤放大器3-i(i=1,2,…N)，N路放大器的输出端与

路合束器4的N个输入端口熔接在一起，合束器出口端连接有准直器5，准直器5后设有扩束镜6，扩束镜6后设有分束镜Ⅰ7，分束镜Ⅰ7将光分成2部分，一部分进入相位控制器8，另一束经波前校正器9反射后，再由分束镜Ⅱ10分成2部分，其中一束光作为激光器的输出激光，另一部分经缩束透镜11，进入性能评价模块12，性能评价模块12与波前校正器9相连，相位控制器8与相位调制器相连。

N路种子激光1-i(i=1,2,…N)经光纤激光放大器3-i进行功率放大后，由合束器4合并进单根多模光纤中并由准直器5出射。出射激光经扩束系统6扩束后被分束镜7分成2部分。一部分进入相位控制器8，相位控制器8根据入射光不断对相位调制器产生控制信号，由此实现对各子路激光的相位锁定。另一束入射至波前校正器9靶面并被其反射。分光镜10将反射光分成2束，一束光作为激光器的输出激光，另一束则经缩束系统11后进入性能评价控制模块12。控制模块12根据探测信号对波前控制器9产生对应的控制信号，不断对波前控制器进行控制，由此对多模光纤激光进行净化，实现高功率高光束质量的光纤激光输出。                          

本发明的优点在于：

突破传统光纤相干合成空间拼接的方式，采用全光纤合束的方式有效解决低占空比及空间不稳定性等问题，采用相位控制及光束净化技术解决多模激光光束质量差问题。首先激光器为带有主动相位控制的多路单模光纤合束，通过该方式可以获得稳定的单口径高功率的激光输出，然后利用基于优化式自适应光学系统直接对合束的光纤激光进行净化，在保证高功率输出的同时提高光束质量。该方法能突破单模光纤激光器功率限制，同时解决相干合成空间占空比低，稳定性差等问题，是获得高亮度激光的有效方法。

附图说明

图1为光纤激光器大功率高光束质量输出的方法结构示意图，

图2为大功率高光束质量激光系统中激光器种子光结构示意图，

图3为大功率高光束质量激光系统中相位控制系统结构示意图，

图4为大功率高光束质量激光系统中光束净化系统结构示意图，

图5为光纤激光器大功率高光束质量输出的方法实验评价函数曲线图，

图6为光纤激光器大功率高光束质量输出的方法实验光斑图。

具体实施方式

下面结合图示对本发明进行进一步说明。

图1为本发明提出的一种实现大功率光纤激光器全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法的结构示意图。1-1、1-2、…1-N分别是N路种子光，2-1、2-2、…2-N分别是N路相位调制器，3-1、3-2、…3-N分别是N路放大系统。根据实际需求，放大系统可以是一级或者多级级联。N路放大系统输出激光经合束器4后合并进一根多模光纤中，由于多模光纤纤芯半径更大，因此能够承受高功率的激光。5是激光准直器，将合束后的高能激光准直输出至自由空间。分束镜7将激光分成两部分。一部分（占激光准直器4输出总能量的1%以内）进入相位控制器8，相位控制器8根据入射光不断对相位调制器产生控制信号，由此实现对各子路激光的相位锁定，另一部分入射在波前校正器9的靶面。波前校正器9可以是各种不同类型的变形镜，也可以是液晶空间光调制器其它各种具有波前校正功能的器件。10是分光镜，分光镜10从输出激光中分出一部分激光能量（占此时激光总能量的1%以内），辐照进性能评价模块12，性能评价模块12对输入信号进行探测，产生下一步的控制信号，不断向波前校正器施加反馈信号。通过波前校正器对激光波前进行调制，使得算法的性能评价函数不断提升，实现高功率高光束质量的光纤激光输出。

图2 是种子激光结构示意图，根据需要1至N路种子光可以是由同一种子光经分束器分束得来(图2-a)，也可以是N个独立的种子光源单独为每一路后续放大光路提供(图2-b)。

图3 是相位控制器示意图。根据实际要求，探测模块31-1可以为光电探测器或者CCD等具有光强探测能力的器件。种子激光器的中心波长必须在探测器的响应范围之内。探测器将激光时域特性转换成电信号，并输入控制模块31-2。控制模块31-2可以是电子计算机，也可以是数字信号处理器（DSP），也可以是大规模可编程门阵列（FPGA），使用优化算法对探测器获得的信号进行计算，产生下一步控制信号并加载至相位调制器32。波前校正器32可以是LiNbO₃相位调制器，也可以是压电陶瓷等具有相位调制功能的相位调制器。波前校正器32根据输入信号对多模激光进行相应的相位调制，最终实现提高激光功率密度的目的。相位调制器为折射率调制型相位调制器或者位移型相位调制器。

图4光束净化装置结构示意图。根据实际需求，探测模块41-1可以为光电探测器或者CCD等具有光强探测能力的器件。种子激光器的中心波长必须在探测器的响应范围之内。探测器将激光时域特性转换成电信号，并输入控制模块41-2。控制模块41-2可以是电子计算机，也可以是数字信号处理器（DSP），也可以是大规模可编程门阵列（FPGA），使用优化算法对探测器获得的信号进行计算，产生下一步控制信号并加载至波前校正器42。波前校正器42根据输入信号对多模激光进行相应的相位调制，最终实现提高激光功率密度的目的。

为验证方案的可行性，我们在实验室条，进行了小功率条件下全光纤结构2路相干合成及光束净化实验。种子光经

分束器（Splitter）分束后，直接与合束器（Coupler）的2臂焊接，合束器出射光纤空间耦合进多模光纤（MMF）。多模光纤参数25/125，NA=0.22。激光经多模光纤传输后，由准直器（CO）出射至空间，然后经棱镜（Prism）分束入射至空间光调制器靶面（SML）。再由空间光调制器反射后经透镜聚焦入射至相机（Camera）。相机采集光斑并将信号输入PC机，PC机运行SPGD算法得到控制信号并将指令发送给SML，由此控制整个光场的波前。

相位控制系统闭环前，由Camera可以观察到输出的高阶模光强分布不稳定，随时间做无规则的变化。而锁相后，能够得到稳定的远场光强分布。此时开启光束净化系统。

系统采用像清晰度函数（Image Sharpness Function，ISF）作为性能评价函数，图5为光纤激光器大功率高光束质量输出的方法实验评价函数曲线图，其定义式 

 评价函数由净化前的1.0064增至2.96，提高近3倍。

图6为光纤激光器大功率高光束质量输出的方法实验光斑图。从图像计算可得，激光远场衍射半径内的能量由40%增大至71%，有效提高了多模激光的光束质量，充分验证了方案的可行性。

Claims (7)

1.大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法，包括激光器、全光纤光束合成器件、相位控制器及光束净化装置，其特征在于，激光器采用多路单模光纤激光器合束，相位控制器包括相位控制模块和性能评价模块，其中性能评价模块包括探测系统和控制系统；光束净化装置包括性能评价模块和波前校正器，其中性能评价模块包括探测系统和控制系统，该方法具体过程为：利用单模光纤激光器产生每一路子激光，然后使用全光纤光束合成器件——光纤合束器，将各支路单模激光合并进一根多模光纤，在激光器子光路中接入相位控制器和光束净化装置，通过相位控制器，实现稳定的光强输出，通过光束净化装置，调高光束质量。

2.根据权利要求1所述的大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法，其特征在于，该方法采用主振荡功率放大器结构，具体包括：激光器种子激光N路，每一路种子激光器（1-i）(i=1,2,…N)含有相位调制器（2-i）(i=1,2,…N)，并熔接光纤放大器（3-i）(i=1,2,…N)，N路放大器的输出端与                                                

路合束器（4）的N个输入端口熔接在一起，合束器出口端连接有准直器（5），准直器（5）后设有扩束镜（6），扩束镜（6）后设有分束镜Ⅰ（7），分束镜Ⅰ（7）将光分成2部分，一部分进入相位控制器（8），另一束经波前校正器（9）反射后，再由分束镜Ⅱ（10）分成2部分，其中一束光作为激光器的输出激光，另一部分经缩束透镜（11），进入性能评价模块（12），性能评价模块（12）与波前校正器（9）相连，相位控制器（8）与相位调制器相连。

3.根据权利要求1所述的大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法，其特征在于，N路种子激光可以由同一种子源分束得到，也可以由N个不同的独立种子源得到。

4.根据权利要求1所述的大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法，其特征在于，N路光纤放大器可以是单级放大，也可以是级联放大。

5.根据权利要求1所述的大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法，其特征在于，相位控制器中的相位控制模块为电子计算机、数字信号处理器、大规模可编程门阵列中的一种。

6.根据权利要求1所述的大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法，其特征在于，相位调制器为折射率调制型相位调制器或者位移型相位调制器。

7.根据权利要求1所述的大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法，其光束净化装置采用优化式自适应光学系统，优化式自适应光学系统采用的优化算法为随即并行梯度下降算法、模拟退火算法或遗传算法的一种。

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