CN103151697A - 基于达曼光栅的固体激光并行放大器 - Google Patents

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张宁
周煜
李兵
孙建锋
周健
卢智勇
刘立人
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Abstract

一种基于达曼光栅的固体激光并行放大器，该装置依次由同轴的准直扩束器、小孔阵列、固态阵列放大器、锁相装置、相位调制器、傅里叶透镜和达曼光栅构成，待放大激光通过准直扩束器和小孔阵列后形成等光强的激光阵列，进入固态阵列放大器放大，放大后的激光阵列经锁相装置锁相后通过相位调制器进行相位调制，经傅里叶变换透镜和位于傅里叶变换透镜后焦面的达曼光栅后合成一束高功率激光。本发明装置具有光束质量好、系统可扩充性强和输出功率高的特点。

Description

基于达曼光栅的固体激光并行放大器
技术领域
本发明涉及高功率激光器系统，特别是一种基于达曼光栅的固体激光并行放大器。
背景技术
随着激光应用技术的发展，在激光雷达等领域需要高功率、高质量和高亮度的激光束，而且朝着小型化、全固态化、大功率方向发展。但是，单个激光器获得的输出功率是有限的，建立高功率激光系统的一种有效的技术方案是使用激光阵列，并且要求阵列元件中输出的所有光束能够相干合成为单一光束。放大器阵列的相干合成技术是当今光电子技术领域中一个研究热点，它为获得高功率、高光束质量激光输出提供了一条有效途径，也将是今后高能激光领域中一个重要的研究方向。
其中采用衍射光学元件具有衍射效率高、体积小、调节方便和可大量复制等特点，受到国内外研究者的广泛关注。采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干激光合束装填为远场单一主瓣是一种有效的技术方案。在先技术[1](参见：Aimin Yan，Liren Liu，Enwen Dai，Jianfeng Sun，and Yu ZhouSimultaneous beam combination and aperture filling of coherent laser arrays byconjugate Dammann gratings[J].Opt.Lett.，2010，35(8)：1251～1253)中，验证了达曼光栅进行相干激光阵列合束的可行性。
在先技术[2](参见：闫爱民，刘立人，戴恩文，孙建锋，周煜，相干激光阵列的逆达曼光栅合束孔径装填实验研究，光学学报，2010.30(6))中提出一种基于衍射光学元件即逆达曼光栅的相干阵列激光合束孔径装填装置，可将多路相干激光组合成单一光束，但是由于没有放大器，无法满足某些高功率情况的需求。
在先技术[3](参见Bing He，Qihong Lou，Jun Zhou，etc.，113-W in-phasemode output from two ytterbium-doped large-core double-cladding fiber lasers，Chinese Optics Letters，vol.5，No.7)中采用被动锁相的方法，利用光纤相干合成。考虑到通过耦合器在单根光纤输出，在功率大于～1kW时是不合适的，甚至会对光纤带来损害。这个问题主要是由于光纤内非线性效应(SBS、SPM、XPM)不可避免所引起的。因此很难通过全光纤结构进一步提高放大倍数。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有的技术不足，提供一种基于达曼光栅的固体激光并行放大器，将激光通过扩束器和小孔阵列进行分束，对每一束光用固态阵列激光器分别放大，从而可以显著提高系统的放大倍数，由锁相装置和相位调制器控制激光阵列的相位分布，通过傅里叶透镜合束，达曼光栅消除相位起伏，从而可以显著提高合束效率和光束质量。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于达曼光栅的固体激光并行放大器，其特点在于该装置依次由同轴的准直扩束器、小孔阵列、固态阵列放大器、锁相装置、相位调制器、傅里叶透镜和达曼光栅构成，待放大激光通过准直扩束器和小孔阵列后形成等光强的激光阵列，进入固态阵列放大器放大，放大后的激光阵列经锁相装置锁相后通过相位调制器进行相位调制，经傅里叶变换透镜和位于傅里叶变换透镜后焦面的达曼光栅后合成一束高功率激光。
待放大的激光ein(x，y)通过准直扩束器和小孔阵列后形成M×N的激光阵列可以表示为：
E 1 ( x , y ) = 1 MN e in ( x , y ) * * Σ m M Σ n N δ ( x - m T x , y - n T y ) - - - ( 1 )
式中，**表示二维卷积，M，N为分别小孔阵列x，y方向单元个数，Tx，Ty分别为小孔阵列x，y方向的周期。
在固态阵列放大器入射面形成了平行光入射的激光阵列，激光阵列光功率由固态阵列放大器放大A倍，阵列各单元内激光的相位随机变化。出射后由锁相器将激光阵列的相位锁定，随后相位调制器调制各单元的相位分布。
经相位调制器调制后频域内的光场为：
Figure BDA00002920671400022
式中，f为傅里叶变换透镜的焦距，为傅里叶变换系数，es(fx，fy)为阵列单元的光场形式，
Figure BDA00002920671400024
为相位调制器对各单元的相位调制。
公式(2)表示的激光阵列经过傅里叶变换透镜后光场为：
Figure BDA00002920671400031
在先技术[4](参见：Bing Li，Aimin Yan，Liren Liu，Enwen Dai，Jianfeng Sun，Baoliang Shen，Xiaoyu Lv and Yapeng Wu，Efficient coherent beam combinationof two-dimensional phase-locked laser arrays.Journal of Optics，2011.13(5)：p.055706.)中可知若达曼光栅透过率为TDG(x，y)，单位振幅的平面波通过达曼光栅后的频谱为：
Figure BDA00002920671400032
达曼光栅放置在傅里叶变换透镜的后焦面，其透过率函数T′DG(x，y)是公式(4)中达曼光栅透过率函数的逆共轭函数，即
T DG ′ ( x , y ) = T DG * ( - x , - y ) .
于是，公式(3)表示的光场经过达曼光栅后，光场就会变为：
Figure BDA00002920671400034
(5)
Figure BDA00002920671400035
远场在频域内可表示为
Figure BDA00002920671400036
即
零级振幅是m＝p，n＝q级次的相干叠加，因而远场频域表达式为：
Figure BDA00002920671400038
(7)
Figure BDA00002920671400039
式中，
Figure BDA000029206714000310
即达曼光栅(m，n)级的衍射效率，将上式其它常数用C表示，远场频域表达式进一步化简为：
Figure BDA000029206714000311
远场在空域内的表达式为：
(9)式即为待放大激光经本装置放大后在远场的表达式。
由远场表达式(9)可以看出，本装置在将待放大激光放大的同时很好的保证了相位的一致性，极大的降低了出射光的相位起伏。本装置可以精确控制输出功率，通过设计不同结构的达曼光栅可控制输出激光的放大倍数，在远场得到单一主瓣的高质量光束。
本发明的达曼光栅采用的是在先技术[5](参见：李兵，闫爱民，孙建锋，吕笑宇，刘立人，等相位等光强分束达曼光栅及其制备方法，发明专利，申请号：201110298316.X)中的制备方法。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.光束质量好。锁相装置和相位调制器可精确控制出射光相位，达曼光栅消除了合束相位起伏，因而在远场可得到单一主瓣，不会出现远场干涉条纹。
2.系统可扩充性强。可以根据需求设计达曼光栅，增加或者减少子光路数目，保证满足使用者对功率的需求。
3.输出功率高。通过分束，降低了入射放大器激光的功率，由于放大晶体损伤阈值一定，所以相对串行级联放大器，输出功率可放大M×N×A倍。
附图说明
图1为本发明基于达曼光栅的固体激光并行放大器的装置示意图。
图2为本发明基于达曼光栅的固体激光并行放大器的装置沿轴线的纵剖图。
图中：11-扩束器，12-小孔阵列，13-固态阵列放大器，14-锁相装置，15-相位调制器，16-傅里叶变换透镜，17-达曼光栅。
具体实施方式
以下结合附图与实施例进一步详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明基于达曼光栅的固体激光并行放大器的装置示意图。由图可见，本发明基于达曼光栅的固体激光并行放大器，依次由同轴的准直扩束器11、小孔阵列12、固态阵列放大器13、锁相装置14、相位调制器15、傅里叶透镜16和达曼光栅17构成，所述的相位调制器15位于傅里叶变换透镜16的前焦面，达曼光栅17位于傅里叶变换透镜16的后焦面，待放大的激光通过准直扩束器11和小孔阵列12后形成等光强的激光阵列，进入固态阵列放大器13放大，放大后的激光阵列经锁相装置14锁相后通过相位调制器15进行相位调制，经傅里叶变换透镜16和位于傅里叶变换透镜16后焦面的达曼光栅17后合成一束高功率激光。
实施例中采用的是5×5小孔阵列和5×5达曼光栅，入射光通过准直扩束器11扩束准直，由小孔阵列12分束形成5×5等光强点阵。
小孔阵列12与固态阵列放大器13各单元精确对准放置。
假设固态阵列放大器的光功率放大倍数为A，那么在固态阵列放大器13出射面各路光束的光强为Iamp，且Iamp＝AIpre。
在固态阵列放大器13中各路光束相位随机变化，每路光束的相位改变相互独立。需要在相干合束前对相位进行调制。因此，需要通过后面的锁相装置14，使各路激光相位达到一致，并通过相位调制器15进行调制。相位值由先技术[7](参见：李兵，闫爱民，吕笑宇，孙建锋，刘立人，二维激光阵列逆达曼光栅相干合束理论研究，光学学报，2011，第31卷，第12期)给出。
相位分布：
衍射级次 -2 -1 0 1 2
-2 -1.8206π -0.8624π -0.9103π -0.9582π 0
-1 -0.8624π 0.0957π 0.0479π 0 0.9582π
0 -0.9103π 0.0479π 0 -0.0479π 0.9103π
1 -0.9582π 0 -0.0479π -0.0957π 0.8624π
2 0 0.9582π 0.9103π 0.8624π 1.8206π
调制后的阵列光经傅里叶变换透镜(16)的变换，经过达曼光栅(17)相位匹配后，成一均匀光束输出，并在远场得到放大M×N×A倍的单一主瓣。

Claims (1)

1.一种基于达曼光栅的固体激光并行放大器，其特征在于该装置依次由同轴的准直扩束器(11)、小孔阵列(12)、固态阵列放大器(13)、锁相装置(14)、相位调制器(15)、傅里叶透镜(16)和达曼光栅(17)构成，所述的相位调制器(15)位于傅里叶变换透镜(16)的前焦面，达曼光栅(17)位于傅里叶变换透镜(16)的后焦面，待放大的激光通过准直扩束器(11)和小孔阵列(12)后形成等光强的激光阵列，进入固态阵列放大器(13)放大，放大后的激光阵列经锁相装置(14)锁相后通过相位调制器(15)进行相位调制，经傅里叶变换透镜(16)和位于傅里叶变换透镜(16)后焦面的达曼光栅(17)后合成一束高功率激光，所述的固态阵列放大器(13)、达曼光栅(17)均工作在待放大激光的波长上。
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