CN103441419A - 基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统 - Google Patents

Abstract

一种基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统，包括N路光纤放大器阵列、包含光束准直器组和激光高反镜片组的光束拼接系统、第一片平面分束镜、第二片平面分束镜、反馈光纤、CCD相机、光纤预放大器、光纤耦合器、半导体激光二极管和1×N光纤分束器，其特点是还有相位补偿板、傅里叶透镜、达曼光栅和可调孔径光阑。本发明输出光为单模高斯光，克服传统被动相干合束系统输出的远场相干光斑存在多级旁瓣的缺点。

Description

基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统

技术领域

本发明涉及一种光纤激光被动相干合束系统，特别是一种基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统。

背景技术

随着激光应用技术的发展，空间通信、激光武器、材料加工、遥感和激光雷达等领域对高功率、高光束质量的激光提出了迫切需求。光纤激光器具有结构紧凑、热管理方便、光束质量好和转换效率高等特点，在高功率激光领域得到了广泛应用。然而，由于热效应、非线性效应和端面损伤阈值的限制，单根光纤激光器的输出功率存在理论极限。因此，将多个光纤激光器组成阵列合成为单光束输出可以有效解决单纤激光器存在的问题，在提高亮度的前提下大大提高输出功率水平。全光反馈被动相干合束技术是上述方法中的一种，即通过光反馈耦合技术，自动选择回路内损耗最低的纵模以实现各路激光同相位锁定输出，此种方法无需单频种子源和复杂的电子学器件，非线性效应阈值高，结构简单，响应速度快，是近期研究的热点。

现有的光纤激光全光反馈被动相干合束系统的结构如附图2所示，由N路光纤放大器组成的阵列201，包含光束准直器组和激光高反镜片组的光束拼接系统202，第一片平面分束镜203，光功率计204，傅里叶透镜205，第二片平面分束镜206，反馈光纤207，CCD相机208，光纤预放大器209，光纤耦合器210，半导体激光二极管211和1×N光纤分束器212组成。各路放大器的输出光经过准直器准直，再经光束拼接系统拼接成二维矩阵形式，大部分功率被第一片平面分束镜反射到光功率计上进行功率探测，少量能量由傅里叶透镜投射到反馈光纤前端面和CCD相机。第二片平面分束镜将主要能量反射至反馈光纤，少量能量投射至CCD相机进行光束质量检测。反馈光纤前端面与CCD相机均位于傅里叶透镜焦平面上。反馈光纤采集的反馈光经过光纤预放大器放大，由1×N光纤分束器注入各路放大器中完成一次循环。多次循环后，各路放大器实现相位锁定，在CCD上可以观察到相干条纹。半导体激光二极管用来为放大器提供种子光。

但是，上述现有的全光反馈被动合束装置存在一个缺陷，即各路激光放大器实现相位匹配后，根据夫琅禾费衍射规律，远场相干条纹出现多级旁瓣，即使各路子光束为理想高斯光斑且相位精确一致，旁瓣也占用了大量能量，远场中心光斑能量的理论极限仅为总能量的83.8%，实际实验中往往不到50%，而中心光斑恰恰是实际使用的部分。在基于达曼光栅的相干激光阵列合束技术中，采用达曼光栅对远场光斑进行孔径填装可将旁瓣能量转移到主瓣中，提高输出光束的光束质量和中心光斑亮度。基于达曼光栅的相干激光阵列合束技术可以有效的将锁相相干的激光阵列进行合束，对合束光束进行孔径填装，从而提高系统的合束效率和输出光束质量。达曼光栅体积小，复制容易，造价低，又具有较高的衍射效率和宽泛的设计自由度，并且具有可阵列化、可集成化和任意波面变换等传统光学元件难以胜任的功能，应用在全光反馈被动合束系统中具有非常大的优势。

发明内容

本发明是针对现有的全光反馈被动相干合束装置中远场相干条纹中央主瓣能量的理论值不超过总能量的83.8%，实际值只有不到50%，远场相干光束质量差的问题，提出一种基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统，该系统能最大限度的减少旁瓣，输出近衍射极限光束。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统，其构成包括N路光纤放大器阵列、包含光束准直器组和激光高反镜片组的光束拼接系统、第一片平面分束镜、第二片平面分束镜、反馈光纤、CCD相机、光纤预放大器、光纤耦合器、半导体激光二极管和1×N光纤分束器，其特征是还有相位补偿板、傅里叶透镜、达曼光栅和可调孔径光阑，上述元部件的位置关系如下：所述的1×N光纤分束器、N路光纤放大器阵列、包含光束准直器组和激光高反镜片组的光束拼接系统、相位补偿板、傅里叶透镜、达曼光栅、可调孔径光阑、第一片平面分束镜、第二片平面分束镜和CCD相机依次串连接，在第二片平面分束镜的反射光方向依次是所述的反馈光纤及其串联的光纤预放大器、光纤耦合器和1×N光纤分束器，所述的半导体激光二极管的输出端与所述的光纤耦合器的输入端相连；所述的反馈光纤为纤芯6μm，内包层125μm的双包层单模无源光纤，所述的相位补偿板和达曼光栅分别放置在所述的傅里叶透镜的前焦面和后焦面上，所述的第一片平面分束镜和第二片平面分束镜与光轴夹角45°放置，所述的达曼光栅为二维石英基底（0，π）二值相位光栅，所述的相位补偿板为具有对应的达曼光栅的傅里叶谱相位分布的石英板，达曼光栅和相位补偿板表面镀有增透膜。

所述的第一片平面分束镜和第二片平面分束镜前表面镀有对激光反射率99%的高反射率膜，后表面镀有增透膜。

所述的达曼光栅和相位补偿板表面结构与光束拼接系统后光束的排布形式M×N、傅里叶透镜焦距f和系统工作波长λ有关。具体设计计算方法参见文献“Changhe Zhou et al.,Numerical study of Dammann arrayilluminators,Applied Optics,Vol.34,No.26,1995”和“李兵等，二维激光阵列逆达曼光栅相干合束理论研究，光学学报，第31卷，第12期，2011”。

本发明的有益效果在于：

本发明采用相位补偿板对各路子光束进行相位预调制，再通过达曼光栅将各路激光进行合束，反馈光纤接收同相位的合束光重新注入到各路放大器中形成全光反馈回路，多次循环后各路放大器形成相位锁定，最终在远场获得近衍射极限的单光束输出。弥补了传统被动相干合束技术中，远场相干光斑存在多级旁瓣，中央光斑能量理论上不能超过总能量的83.8%的缺点。

由于系统的合束效率等于达曼光栅的衍射效率，合束效率超过90%。

采用反馈光纤接收合束光的采样并将其耦合回放大器阵列形成环路，可以使系统形成自适应的相位调节机制，无需复杂的电子反馈元件和相位检测系统即可实现各路相位匹配。

相位补偿板和达曼光栅均采用石英基底，热稳定性好，能承受高亮度的激光照射，适合高功率激光系统。达曼光栅和相位补偿板等片状石英器件方便散热，无需设计复杂的散热系统。

附图说明

图1为本发明基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统示意图。

图2为现有的光纤激光全光反馈被动相干合束系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

先请参阅图1，图1为本发明基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统示意图。由图可见，本发明基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统，其构成包括N路光纤放大器阵列101、包含光束准直器组和激光高反镜片组的光束拼接系统102、第一片平面分束镜107、第二片平面分束镜109、反馈光纤110、CCD相机111、光纤预放大器112、光纤耦合器113、半导体激光二极管114和1×N光纤分束器115，其特点是还有相位补偿板103、傅里叶透镜104、达曼光栅105和可调孔径光阑106，上述元部件的位置关系如下：

所述的1×N光纤分束器115、N路光纤放大器阵列101、包含光束准直器组和激光高反镜片组的光束拼接系统102、相位补偿板103、傅里叶透镜104、达曼光栅105、可调孔径光阑106、第一片平面分束镜107、第二片平面分束镜109和CCD相机111依次串联连接，在第二片平面分束镜109的反射光方向依次是所述的反馈光纤110及其串联的光纤预放大器112、光纤耦合器113和1×N光纤分束器115，所述的半导体激光二极管114的输出端与所述的光纤耦合器113的输入端相连；所述的相位补偿板103和达曼光栅105分别放置在所述的傅里叶透镜104的前焦面和后焦面上，所述的第一片平面分束镜107和第二片平面分束镜109与光轴夹角45°放置。

所述的反馈光纤110为纤芯6μm，内包层125μm的双包层单模无源光纤。

所述的第一片平面分束镜107和第二片平面分束镜109前表面镀有对激光反射率99%的高反射率膜，后表面镀有增透膜。

所述的达曼光栅为二维石英基底（0，π）二值相位光栅，所述的相位补偿板为具有对应的达曼光栅的傅里叶谱相位分布的石英板。达曼光栅和相位补偿板表面镀有增透膜。达曼光栅和相位补偿板表面结构与光束拼接系统后光束的排布形式M×N、傅里叶透镜焦距f和系统工作波长λ有关，具体计算方法参见文献“Changhe Zhou et al.,Numerical studyof Dammann array illuminators,Applied Optics,Vol.34,No.26,1995”和“李兵等，二维激光阵列逆达曼光栅相干合束理论研究，光学学报，第31卷，第12期，2011”。

所述的半导体激光二极管114通过光纤耦合器113耦合到反馈环中，经过1×N光纤分束器115分束后为光纤放大器阵列101提供辅助种子光，保护放大器不受自激振荡的危害。放大器阵列的输出激光经过光束准直器组和激光高反镜片组102进行光束准直和近场光束拼接，形成二维周期排布的光束阵列。该光束阵列经所述的相位补偿板103后各路激光束施加相位差

该相位补偿板103放置在傅里叶透镜104的前焦面上，达曼光栅105放置在傅里叶透镜的后焦面上，f为透镜焦距。傅里叶透镜104将子光束阵列汇聚到达曼光栅105上，达曼光栅105对各路激光束进行相位补偿，输出合束光和高阶衍射光。其后的可调孔径光阑106对输出光进行限制，调节光阑大小，仅使合束光进入后续光路，由达曼光栅的刻蚀误差和摆放位置误差带来的微弱高阶衍射光被可调孔径光阑106遮挡。对激光高反射率的第一片平面分束镜107将合束光99%的能量反射输出，输出端为108，是本发明的激光输出端，1%的能量传递到后续光路，对激光波长高反射的第二片平面分束镜109放置在后方，又将99%的能量反射到远场反馈光纤110前端面，1%的能量透射到CCD相机111上对远场相干图样进行监测。所述的反馈光纤110接收耦合到其中的单模高斯反馈光经过光纤预放大器112放大后通过光纤耦合器113，最后经过1×N光纤分束器115分束，重新注入到放大器阵列101中。整个系统形成全光反馈闭环结构。

本发明具体的实施步骤为：

1）开启半导体激光二极管辅助种子源，开启各路放大器。由于采用同一种子光，N路放大器输出波长完全相同，存在一个随机相位此时各路子光束由放大器尾纤输出，存在一定发散角。

2）调节光束准直器组对各路子光束进行准直，精密调节激光高反镜片组的位置，将准直光束进行近场拼接，在近场形成M×N的矩阵式排布。

3）调节傅里叶透镜104位于光轴中心，相位补偿板位于傅里叶透镜前焦面上，达曼光栅位于后焦面上。达曼光栅的周期结构根据子光束M×N的分布精密设计，其透过率函数为：

$T_{\mathrm{DG}}(x,y)=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{t}_0(x-{\mathrm{mT}}_x,y-{\mathrm{nT}}_y)$

其中，T_x和T_y为达曼光栅在x和y方向上的周期，t₀(x,y)为光栅单周期内的振幅透过率函数，具有如下形式：

对设计好的达曼光栅的空间结构进行傅里叶变换可得到傅里叶谱的相位分布，将这一相位分布刻蚀成相应的相位补偿板。达曼光栅的傅里叶变换谱为：

其中，

为达曼光栅第(m,n)级衍射级次的复振幅，

即为相位补偿板的相位分布。初始各路子光束相位

为随机值，经过相位补偿板后施加了

相位，此时子光束间相位随机分布，达曼光栅后的衍射光存在高阶级次，零级衍射即合束光所占能量比例不高。精密调节孔径光阑直径，仅使合束光进入后续光路。

4）调节第一片平面分束镜，使得合束光大部分能量输出，少量能量透射到第二片平面分束镜上。调节第二片平面分束镜和反馈光纤的位置，使能量尽可能被反馈光纤接收。反馈光纤接收的反馈光为同相位

的单模合束光，经过光纤预放大器放大，再经1×N光纤分束器分束，最后注入N路光纤放大器完成一次循环。

5）多次循环后，环路中相位为

的单模合束光比例越来越高，最终N路放大器的输出光均为相位为

的单模高斯光，达到相位匹配。输出光束阵列经过相位补偿板后施加了相位

再经过傅里叶透镜和达曼光栅进行合束，输出单一光束，此时合束效率可以超过90%，光束质量接近衍射极限。调节CCD位置，在CCD上连续监测输出光的光束质量。

Claims (2)

1.一种基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统，其构成包括N路光纤放大器阵列（101）、包含光束准直器组和激光高反镜片组的光束拼接系统（102）、第一片平面分束镜（107）、第二片平面分束镜（109）、反馈光纤（110）、CCD相机（111）、光纤预放大器（112）、光纤耦合器（113）、半导体激光二极管（114）和1×N光纤分束器（115），其特征是还有相位补偿板（103）、傅里叶透镜（104）、达曼光栅（105）和可调孔径光阑（106），上述元部件的位置关系如下：所述的1×N光纤分束器（115）、N路光纤放大器阵列（101）、包含光束准直器组和激光高反镜片组的光束拼接系统（102）、相位补偿板（103）、傅里叶透镜（104）、达曼光栅（105）、可调孔径光阑（106）、第一片平面分束镜（107）、第二片平面分束镜（109）和CCD相机（111）依次串连接，在第二片平面分束镜（109）的反射光方向依次是所述的反馈光纤（110）及其串联的光纤预放大器（112）、光纤耦合器（113）和1×N光纤分束器（115），所述的半导体激光二极管（114）的输出端与所述的光纤耦合器（113）的输入端相连；所述的反馈光纤（110）为纤芯6μm，内包层125μm的双包层单模无源光纤，所述的相位补偿板（103）和达曼光栅（105）分别放置在所述的傅里叶透镜（104）的前焦面和后焦面上，所述的第一片平面分束镜（107）和第二片平面分束镜（109）与光轴夹角45°放置，所述的达曼光栅为二维石英基底（0，π）二值相位光栅，表面镀有增透膜，所述的相位补偿板为具有对应的达曼光栅的傅里叶谱相位分布的石英板，表面镀有增透膜。

2.根据权利要求1所述的基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统，其特征在于所述的第一片平面分束镜（107）和第二片平面分束镜（109）前表面镀有对激光反射率99%的高反射率膜，后表面镀有增透膜。

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