高功率光纖激光相干合成技術(shù)的發(fā)展與展望

高功率光纖激光相干合成技術(shù)的發(fā)展與展望

1光纖激光器光纖涌射器是利用混合纖維作為緩沖介質(zhì)的利器。通過在光纖基質(zhì)中混合不同的稀土離子，可以獲得不同波長的激光輸出。與其他類型的注射器相比，光纖涌射器具有提高效率、結(jié)構(gòu)緊湊、熱管理方便、光束質(zhì)量好等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防等領(lǐng)域。近年來，它已成為高能耗激光技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。由于非線性效應(yīng)、熱損傷及泵浦源亮度等因素的影響,單根光纖激光輸出功率存在極限.以目前輸出功率最高的摻鐿光纖激光器為例,理論研究結(jié)果表明,其寬譜、嚴(yán)格單模輸出時的極限功率約為13kW2光纖激光相干合成實驗近十年光纖激光相干合成技術(shù)得到了飛速發(fā)展截至目前,最具有代表性的研究成果當(dāng)屬2011年美國麻省理工學(xué)院報道的8路光纖放大器相干合成實現(xiàn)4kW功率輸出,圖1為該實驗的主要結(jié)果,即8束激光相干合成后的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布與單束激光的遠(yuǎn)場光強(qiáng)對比,8束激光相干合成后的遠(yuǎn)場軸上光強(qiáng)達(dá)到了單束激光的50倍.據(jù)不完全統(tǒng)計,目前光纖激光相干合成的實現(xiàn)方案超過了20種由圖2可以看出,光纖激光相干合成系統(tǒng)主要由(1)光源子系統(tǒng)、(2)相位控制子系統(tǒng)以及(3)光束合成子系統(tǒng)等3個關(guān)鍵部分組成,當(dāng)前的研究也主要圍繞上述3個部分展開,下面分別予以介紹.2.1采用全光纖結(jié)構(gòu)高功率光纖放大器是相干合成系統(tǒng)獲得高功率輸出的前提.在相干合成研究的初期,研究人員普遍認(rèn)為主動相位控制相干合成要求各路單元光束單頻輸出(一般譜寬小于或等于受激布里淵增益譜線寬量級,如小于100MHz)近年來,研究人員一方面將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改為全光纖結(jié)構(gòu),提升了放大器的穩(wěn)定性;另一方面,通過相位調(diào)制等方式對激光線寬進(jìn)行一定程度的展寬,由原來的單頻激光變?yōu)檎€寬激光,保證放大器輸出光束可相干合成的同時提高了輸出功率.2009年,美國Nufern公司實現(xiàn)了商品化的千瓦級全光纖結(jié)構(gòu)光纖放大器,激光線寬約為7GHz,后又經(jīng)優(yōu)化將線寬壓縮至3GHz本課題組自2009年來開展了全光纖結(jié)構(gòu)高功率窄線寬光纖放大器的理論與實驗研究.先后實現(xiàn)了單頻光纖激光80和168W功率輸出2.2相位控制方案相位控制子系統(tǒng)控制相干合成系統(tǒng)中激光的相位,使得各路激光相位差恒定.依照相位控制的原理,相位控制方案可以分為被動相位控制和主動相位控制兩大類.雖然被動相位控制目前已實現(xiàn)25路激光同相輸出,但系統(tǒng)輸出功率普遍較低,且在物理機(jī)制上存在合成效率隨著激光數(shù)目增多而下降的不足2.3低功率條件下的相干合成當(dāng)前,光束合成方案大都是對準(zhǔn)直輸出的光束陣列采用幾何光學(xué)的方法簡單拼接后直接輸出.由于光纖激光器輸出的光束近似呈高斯分布,因此,采用幾何拼接的方式無法獲得高占空比陣列光束,導(dǎo)致輸出光束遠(yuǎn)場激光能量向旁瓣分散,降低了能量集中度,導(dǎo)致光束質(zhì)量退化,影響了相干合成的效果.目前,雖已有多家單位報道了千瓦級相干合成試驗結(jié)果,但是遠(yuǎn)場光束質(zhì)量不佳.針對此問題,國內(nèi)外研究人員提出了幅相轉(zhuǎn)換、光束整形、光束截斷、衍射光學(xué)、相干偏振合成和自成像波導(dǎo)等6種方案衍射光學(xué)的方法由美國諾格公司提出,采用衍射光學(xué)元件(DiffractiveOpticsElement,簡稱DOE)實現(xiàn)若干路相位鎖定的光束共軸輸出的基本原理如圖3所示.2008年,該公司開展了低功率條件下的5路鎖相激光共軸輸出相干偏振合成方法由美國洛克西德·馬丁(下文簡稱洛馬)公司于2010年提出自成像波導(dǎo)方法由美國洛馬公司于2007年提出,是一種基于多模波導(dǎo)自成像效應(yīng)的合成方案2.4中紅外光纖激光器以往進(jìn)行的光纖激光相干合成研究大都針對連續(xù)激光開展.近兩年來,對脈沖光纖激光相干合成獲得高峰值功率或大能量激光輸出也成為了人們關(guān)注的熱點值得注意的是,在光纖激光領(lǐng)域,中紅外光纖激光器是摻鐿激光器之外的另外一個研究熱點.目前,輸出波長在2μm附近的摻銩光纖激光輸出功率已經(jīng)突破了kW3相位噪聲特性由前分析可以看出,光纖激光相干合成主要涉及高功率窄線寬光纖放大器、多束激光相位控制以及光束合成等幾項關(guān)鍵技術(shù).從目前的發(fā)展水平看,多束激光的相位控制技術(shù)已經(jīng)基本成熟,采用SPGD算法、多抖動法、單抖動法均已實現(xiàn)多路數(shù)百瓦級光纖放大器相干合成,獲得千瓦級功率輸出.對單路激光的相位噪聲特性的實驗分析結(jié)果表明,十瓦級和千瓦級光纖放大器的相位噪聲特性差別不大3.1單束高功率光纖激光相干合成的可行性目前已有多家單位研制出千瓦級光纖放大器,但若基于此構(gòu)建百千瓦級高能光纖激光系統(tǒng),則系統(tǒng)單元路數(shù)偏多,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度.2009年,美國DAPRA啟動RIFL(Revolutioninfiberlaser)項目,用于研制數(shù)千瓦、單模、單頻光纖放大器,項目的主要承研單位是美國諾格公司,最終目標(biāo)是在2014年之前實現(xiàn)輸出功率為3kW,光束質(zhì)量優(yōu)于1.6倍衍射極限1)探索SBS效應(yīng)的有效抑制方法.目前單頻大功率光纖放大器大都基于石英基質(zhì)的摻鐿光纖研制的.與石英基摻鐿光纖相比,磷酸鹽光纖具有更高的摻雜濃度從SBS產(chǎn)生的物理機(jī)制可知,參與SBS效應(yīng)的是聲學(xué)聲子,摻雜基質(zhì)的響應(yīng)時間決定了聲子的壽命,這就意味著激光脈沖變短會減弱SBS效應(yīng),特別是當(dāng)脈沖短于聲子壽命時,SBS效應(yīng)有可能最終停止發(fā)生2)攻克泵浦源亮度.目前實現(xiàn)千瓦級高功率輸出的方案大都采用半導(dǎo)體激光直接泵浦的方式.盡管Nufern公司早在2009年就公布了采用半導(dǎo)體激光泵浦實現(xiàn)3kW光纖放大器的實現(xiàn)方案,但至今尚未有后續(xù)實驗報道.受限于半導(dǎo)體激光器的亮度,目前3kW以上單模光纖激光器都是采用1018nm光纖激光同帶泵浦實現(xiàn)的,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示本課題組已經(jīng)實現(xiàn)了近單模1018nm光纖激光器百瓦級功率輸出3)探索其他波段實現(xiàn)大功率的可行性.近年來,隨著光纖材料和泵浦源亮度的提升,石英基摻鉺、摻銩和摻鈥光纖激光器(放大器)得到了迅猛發(fā)展4)偏振控制問題.從理論上說,為獲得理想的相干合成效果,一般要求各路激光線偏輸出,且偏振態(tài)和相位完全一致.但是嚴(yán)格偏振保持器件(如保偏光纖、保偏隔離器)等成本較高.Goodno等人5)單元光束相干特性的測試與評估.當(dāng)前,雖然已有多家單位實現(xiàn)了千瓦級窄線寬激光輸出,但是這種千瓦級高功率放大器應(yīng)用于相干合成的效能則較少得到關(guān)注.諾格公司是為數(shù)不多的進(jìn)行過相關(guān)研究的單位之一.實驗結(jié)果表明,從608W單頻摻銩光纖激光中取樣并與瓦級低功率激光鎖相時,遠(yuǎn)場條紋可見度超過95%.而對25GHz千瓦級光纖激光鎖相時,遠(yuǎn)場條紋可見度約為90%.雖然對于兩束光而言差別不大,但是拓展到更多路數(shù)時,不排除存在退化相干合成效果的可能性.因此,在研制單束高功率光纖激光時,必須及時開展相應(yīng)的相干特性的測試與評估,并及時反饋至單束激光的研制過程,確保擴(kuò)展到多束激光時相干合成的效果.3.2測試方案的不足光束合成的效果是影響最終到靶激光功率密度的關(guān)鍵因素.目前國內(nèi)外研究人員已經(jīng)提出多種方案,部分方案已經(jīng)開展了千瓦級條件下的實驗驗證.但當(dāng)前提出的各種方案各自還存在不足之處.美國諾格公司的DOE雖已實現(xiàn)千瓦級合成輸出,并保持了良好的光束質(zhì)量,但是該器件對激光存在較大的損耗,約20%綜上所述,需要對上述幾種合成方案進(jìn)行深入的理論和實驗研究,遴選出最具有大功率輸出潛力的方案.另外,由于當(dāng)前的幾種技術(shù)方案均不成熟,還迫切需要提出新的思路和方法.3.3閉環(huán)控制實驗當(dāng)前的光纖激光相干合成研究都是在實驗室環(huán)境中進(jìn)行.在實際應(yīng)用環(huán)境中,大氣不可避免地會影響激光合成與傳輸?shù)男Ч?美國陸軍研究實驗室已經(jīng)開展了百毫瓦功率條件下7km大氣傳輸合作目標(biāo)閉環(huán)控制實驗,本課題組開展了模擬大氣湍流環(huán)境下百瓦級高功率激光陣列非合作目標(biāo)閉環(huán)控制實驗,驗證了相干合成在實際應(yīng)用環(huán)境中的效能4多路激光相干合成方案的未來研究展望光纖激光相干合成是實現(xiàn)高平均功率、高光束質(zhì)量激光輸出的有效方式,經(jīng)過近10年的發(fā)展,科研人員在單束可相干合成激光、多束激光相位控制以及光束合成等方面開展了深入研究,并相繼取得了突破性進(jìn)展,已經(jīng)獲得了數(shù)千瓦級相干合成功率輸出.但我們還應(yīng)清醒地看到:多路光纖激光相干合成的總輸出功率和光束質(zhì)量至今尚未超越萬瓦這個單束光纖激光的最高值.究其原因,主要在于可相干合成激光的輸出