CN112636141A - 一种自适应光谱合成系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种自适应光谱合成系统，该系统包括端镜、光纤放大器、光纤阵列、光纤布拉格光栅、传输透镜、衍射光栅、准直透镜和结构件，所述的光纤阵列、传输透镜、衍射光栅和准直透镜分别固定所述的结构件上形成一个整体。本发明的自适应光谱合成系统可以实现子束的光谱自适应锁定，降低系统对光谱稳定性和线宽的要求，有效提升合成光束质量。

Description

一种自适应光谱合成系统

技术领域

本发明属于高功率光纤激光领域，具体涉及一种可以实现高光束量光谱合成的自适应光谱合成系统。

背景技术

近年来，随着半导体泵浦技术和光纤激光技术的不断发展，光纤激光器的输出功率不断提升，但是由于光纤激光器内部的热效应、非线性效应、端面损伤等因素限制，单纤单模输出功率存在上限。光谱组束技术是实现高功率和高光束质量激光输出的重要技术途径，具有输出光束质量好、对子束相位没有要求、结构简单稳定等优点。

现有技术中光谱合束主要是利用色散元件，将不同角度入射到色散元件的不同波长的光束实现同角度与共孔径的输出。近年来基于多层电介质衍射光栅光纤激光光谱合成是光谱合成的研究热点，在光谱合成过程中，子束的光谱稳定性和线宽等会严重影响合成光束的光束质量。目前尚没有一个简单有效的结构系统能够高质量地实现高光束量光谱合成，急需要开发出安全可靠且高效简单的自适应光谱合成系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出的自适应光谱合成系统可以实现子束的光谱自适应锁定，降低系统对光谱稳定性和线宽的要求，有效提升合成光束质量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种自适应光谱合成系统，该系统包括端镜、光纤放大器、光纤阵列、光纤布拉格光栅、传输透镜、衍射光栅、准直透镜和结构件，在所述光纤阵列上紧密排布有2*N+1根光纤，即2N根光纤和1根公共光纤，光纤阵列上的N根光纤和公共光纤上均连接有一个光纤放大器，与公共光纤连接的为第一光纤放大器，与N根光纤连接的光纤放大器分别为第2～(N+1)光纤放大器，所述端镜的输出端与第一光纤放大器的输入端相连，所述第一光纤放大器输出端与光纤阵列上的公共光纤相连，从公共光纤输出的宽带光入射到所述传输透镜上，准直为平行光束后入射在所述衍射光栅表面，光栅衍射后不同波长具有不同的衍射角，光束在空间按波长依次分开，再次通过所述传输透镜后在光纤阵列上汇聚成一条线，不同波长的光进入光纤阵列上的N根光纤，不同的空间位置对应不同的波长，N根光纤的输出端分别连接所述的光纤布拉格光栅，与所述的端镜形成N个谐振腔，在N个光纤布拉格光栅输出端分别连接第2～(N+1)光纤放大器，所述第2～(N+1)光纤放大器的输出端与光纤阵列上与2～(N+1)位置共轭的另外N个光纤的输入端相连，光束从光纤出射后经过所述的传输透镜准直入射到所述衍射光栅的表面，衍射光束再次经过所述传输透镜后从公共光纤的共轭位置合束输出，输出光束经过所述的准直透镜准直为平行光出射；所述的光纤阵列、传输透镜、衍射光栅和准直透镜分别固定所述的结构件上。

在本发明一种自适应光谱合成系统中，所述的光纤阵列上光纤排布分为上下两行，除公共光纤外的2N个光纤，位于上排的一个N个光纤，位于下排的N个光纤，上下位置严格对齐，且位于同一行的光纤紧密排列。

在本发明一种自适应光谱合成系统中，所述光纤阵列上紧密排布有2*N+1根光纤，即2N根光纤和1根公共光纤，公共光纤为L₀，2N根光纤分为上下两行，分别为位于上排的L₁、L₂……L_N和位于下排的L’₁、L’₂……L’_N，L和L’一一对应并关于阵列平分线对称紧密排布，L(L₁、L₂……L_N)上每根光纤以及L₀上均设有一个光纤放大器，共有N+1个光纤放大器，其中与公共光纤连接的为第一光纤放大器，该第一光纤放大器为振荡级纤放大器，L上每根光纤连接的光纤放大器为功率放大光纤放大器，N根光纤对应N个功率放大光纤放大器。

在本发明一种自适应光谱合成系统中，衍射后光束通过所述传输透镜后在光纤阵列上汇聚成一条线，不同波长的光进入光纤阵列上的光纤L₁、L₂……L_N，与L(L₁、L₂……L_N)上每根光纤连接的所述功率放大光纤放大器的输出端与光纤阵列上L’₁、L’₂……L’_N的输入端相连，光束从光纤出射后经过所述的传输透镜准直入射到所述衍射光栅的表面，衍射光束再次经过所述传输透镜后从公共光纤的共轭位置L’₀合束输出。

在本发明一种自适应光谱合成系统中，所述的光纤阵列和衍射光栅分别位于传输透镜的两侧焦平面。

在本发明一种自适应光谱合成系统中，所述的结构件用于支撑光学元件，材料为微晶玻璃也可替换为其他低热膨胀材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.在本发明的自适应光谱合成系统中，衍射将宽带光在空间上按波长依次展开，经过传输透镜后在光纤阵列表面沿光纤排布方向形成按波长分布的长条形光斑，每根光纤的空间位置、纤芯直径和数值孔径决定了光纤中传输的光谱波长范围，不随输入光源的变化而变化，也就是说各子束光谱自适应锁定，从而降低系统对光谱稳定性和线宽的要求。

2.在本发明的自适应光谱合成系统中，各子束传输的激光光谱不随光源的变化而变化，子束输出光谱自适应锁定，因此可以实现高光束质量光谱合成。

3.在本发明的自适应光谱合成系统中，通过微晶玻璃等低膨胀结构件的应用，实现了整个系统的整体化设计，从而使得系统体积小、结构紧凑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种自适应光谱合成系统中的光纤阵列排布示意图。

图2为本发明一种自适应光谱合成系统的结构组成及光路示意图。

图3为本发明一种自适应光谱合成系统的整体结构示意图。

图4为本发明实施例100路自适应光谱合成系统中的光纤阵列排布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本实施例自适应光谱合成系统，该系统包括端镜1、振荡级光纤放大器2、光纤阵列3、光纤布拉格光栅4、传输透镜5、衍射光栅6、功率放大光纤放大器7、准直透镜8和作为结构件9的微晶玻璃。如图3所示，本发明的系统中采用微晶玻璃作为结构件9，微晶玻璃进行整体研磨加工成一个整体结构件，将所述光纤阵列3、传输透镜5、衍射光栅4及准直透镜8固定在这微晶玻璃上。

上述端镜1的输出端与第一光纤放大器2的输入端相连，所述的第一光纤放大器2为振荡级纤放大器，所述振荡级光纤放大器2输出端与光纤阵列上公共光纤(L₀)相连。

所述的光纤阵列上光纤排布分为上下两行，除公共光纤外的2N个光纤，位于上排的N个光纤和位于下排的N个光纤，上下位置严格对齐，且位于同一行的光纤紧密排列。

具体地，在所述光纤阵列3上紧密排布2*100+1(L₀～L₁₀₀，L₁ ^’～L₁₀₀ ^’)根光纤(若N取100)，如图1所示，公共光纤为L₀，2N根光纤分为上下两行，分别为L₁、L₂……L_N和L’₁、L’₂……L’_N，L和L’一一对应并关于阵列平分线对称紧密排布。在L(L₁、L₂……L_N)上每根光纤以及L₀上均设有一个光纤放大器，共有N+1个光纤放大器，其中与公共光纤连接的为振荡级纤放大器，L上每根光纤连接的光纤放大器为功率放大光纤放大器，N根光纤对应N个功率放大光纤放大器，所述振荡级光纤放大器2输出端与光纤阵列上公共光纤(L₀)相连。

为了便于清楚表达，还可以设定与公共光纤连接的为第一光纤放大器，与N根光纤连接的光纤放大器分别为第2～(N+1)光纤放大器，所述端镜的输出端与第一光纤放大器的输入端相连，所述第一光纤放大器输出端与光纤阵列上的公共光纤相连，N根光纤的输出端分别连接所述的光纤布拉格光栅，与所述的端镜形成N个谐振腔，在N个光纤布拉格光栅输出端分别连接第2～(N+1)光纤放大器，所述第2～(N+1)光纤放大器的输出端与光纤阵列上与2～(N+1)位置共轭的另外N个光纤的输入端相连。

从上述公共光纤(L₀)输出的宽带光入射到所述传输透镜5上，准直为平行光束后入射在所述衍射光栅6表面，光栅衍射后不同波长具有不同的衍射角，光束在空间按波长依次分开，再次通过传输透镜5后在光纤阵列上汇聚成一条线，不同波长的光进入光纤阵列上的100根光纤(L₁～L₁₀₀)，不同的空间位置对应不同的波长。100根光纤(L₁～L₁₀₀)输出端分别连接所述的光纤布拉格光栅4的输入端，与所述的端镜1形成100个谐振腔，在100个光纤布拉格光栅4的输出端分别连接100个功率放大光纤放大器7，每根光纤连接一个功率放大光纤放大器7，所述的100个功率放大光纤放大器7的输出端与光纤阵列3上与(L₁～L₁₀₀)位置共轭的N个光纤(L₁ ^’～L₁₀₀ ^’)的输入端相连，光束从光纤出射后经过传输透镜5准直入射到衍射光栅6表面，衍射光束再次经过传输透镜5后从公共光纤的共轭位置合束输出，所述的准直透镜8将输出光束准直为平行光出射。

在本实施例中，光纤阵列上输入/输出的光纤为大模场无源光纤，纤芯直径20μm，数值孔径0.08，包层直径为125μm。合成光束光谱范围为1030nm～1080nm，分为100路，每路光谱间隔0.5nm。光纤阵列选用2*100+1排布，上下两排光纤间隔10mm，中轴严格对齐。

为保证合成光束安全输出，合束输出位置间隔光纤阵列10mm，如图4所示。相邻光纤间隔1μm，光纤包层直径为125μm。偏振无关的多层介质膜光栅的刻线为1170g/mm，对应光栅常数为0.855μm。每个光纤的位置决定该光纤中的中心波长，光纤的芯径决定了光纤中传输的光谱宽度，根据光栅方程可计算得每根光纤中传输的光谱宽度为0.08nm。假设每个子束放大输出功率为P，实现100个子束的光谱合成，合成输出功率约为100*P。

由于采用低热膨胀的材料比如微晶玻璃进行整体研磨加工成结构件，将光纤阵列、传输透镜以及衍射光栅固定在这整体结构上，保证系统的整体稳定性。

本实施例的工作过程如下：

端镜1为谐振腔的一端，振荡级光纤放大器2为谐振腔提供正反馈，振荡级光纤放大器2输出端与光纤阵列上公共光纤相连，从公共光纤输出的宽带光入射到传输透镜5上，准直为平行光束后入射在衍射光栅6表面，光栅衍射后不同波长具有不同的衍射角，光束在空间按波长依次分开，再次通过传输透镜5后在光纤阵列上汇聚成一条线，不同波长的光进入光纤阵列上的100根光纤中，每个光纤上连接光纤布拉格光栅4构成谐振腔的另一端，100路子束构成100个不同波长的振荡器。100路子束经过100个功率放大光纤放大器7，将输出功率提升到P。放大输出后的从光纤阵列上与注入光纤共轭位置输出，光束从光纤出射后经过传输透镜5准直入射到衍射光栅6表面，衍射光束再次经过传输透镜5后从公共光纤的共轭位置合束输出，经过准直透镜8将输出光束准直为平行光。

本实施例中采用微晶玻璃9进行整体研磨加工成结构件，将光纤阵列3、传输透镜5、衍射光栅4及准直透镜8固定在这整体结构上。

尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (7)

1.一种自适应光谱合成系统，其特征在于，该系统包括端镜、光纤放大器、光纤阵列、光纤布拉格光栅、传输透镜、衍射光栅、准直透镜和结构件，在所述光纤阵列上紧密排布有2*N+1根光纤，即2N根光纤和1根公共光纤，光纤阵列上的N根光纤和公共光纤上均连接有一个光纤放大器，与公共光纤连接的为第一光纤放大器，与N根光纤连接的光纤放大器分别为第2～(N+1)光纤放大器，所述端镜的输出端与第一光纤放大器的输入端相连，所述第一光纤放大器输出端与光纤阵列上的公共光纤相连，从公共光纤输出的宽带光入射到所述传输透镜上，准直为平行光束后入射在所述衍射光栅表面，光栅衍射后不同波长具有不同的衍射角，光束在空间按波长依次分开，再次通过所述传输透镜后在光纤阵列上汇聚成一条线，不同波长的光进入光纤阵列上的N根光纤，不同的空间位置对应不同的波长，N根光纤的输出端分别连接所述的光纤布拉格光栅，与所述的端镜形成N个谐振腔，在N个光纤布拉格光栅输出端分别连接第2～(N+1)光纤放大器，所述第2～(N+1)光纤放大器的输出端与光纤阵列上与2～(N+1)位置共轭的另外N个光纤的输入端相连，光束从光纤出射后经过所述的传输透镜准直入射到所述衍射光栅的表面，衍射光束再次经过所述传输透镜后从公共光纤的共轭位置合束输出，输出光束经过所述的准直透镜准直为平行光出射；所述的光纤阵列、传输透镜、衍射光栅和准直透镜分别固定所述的结构件上。

2.根据权利要求1所述的一种自适应光谱合成系统，其特征在于，所述的光纤阵列上光纤排布分为上下两行，除公共光纤外的2N个光纤，位于上排的N个光纤和位于下排的N个光纤，上下位置严格对齐，且位于同一行的光纤紧密排列。

3.根据权利要求2所述的一种自适应光谱合成系统，其特征在于，所述光纤阵列上紧密排布有2*N+1根光纤，即2N根光纤和1根公共光纤，公共光纤为L₀，2N根光纤分为上下两行，分别为位于上排的L₁、L₂……L_N和位于下排的L’₁、L’₂……L’_N，L和L’一一对应并关于阵列平分线对称紧密排布，L(L₁、L₂……L_N)上每根光纤以及L₀上均设有一个光纤放大器，共有N+1个光纤放大器，其中与公共光纤连接的为第一光纤放大器，该第一光纤放大器为振荡级纤放大器，L(L₁、L₂……L_N)上每根光纤连接的光纤放大器为功率放大光纤放大器，N根光纤对应N个功率放大光纤放大器。

4.根据权利要求3所述的一种自适应光谱合成系统，其特征在于，不同波长的光进入光纤阵列上的光纤L₁、L₂……L_N，与L(L₁、L₂……L_N)上，每根光纤连接的功率放大光纤放大器的输出端与光纤阵列上L’₁、L’₂……L’_N的输入端相连，光束从光纤出射后经过所述的传输透镜准直入射到所述衍射光栅的表面，衍射光束再次经过所述传输透镜后从公共光纤的共轭位置L’₀合束输出。

5.根据权利要求1所述的一种自适应光谱合成系统，其特征在于，所述的光纤阵列和所述衍射光栅分别位于所述传输透镜的两侧焦平面位置。

6.根据权利要求1所述的一种自适应光谱合成系统，其特征在于，所述的结构件为低膨胀材料制成的结构部件，所述的光纤阵列、传输透镜、衍射光栅及准直透镜固定在结构部件上形成为整体结构。

7.根据权利要求6所述的一种自适应光谱合成系统，其特征在于，所述的结构件为微晶玻璃，所述微晶玻璃进行整体研磨加工成结构件，将所述光纤阵列、传输透镜、衍射光栅及准直透镜固定在微晶玻璃上形成为整体结构。

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