高能固态激光阵列光束合成技术浅析

建立了高能固态激光阵列合成的模型,对相干合成型和非相干合成型的高能固态激光系统进行了分析和比较.引入光束传输因子(BPF)作为评价合成光束的光束质量,对湍流大气对板条激光器和光纤激光器相干合成与非相干合成远场光束质量的影响进行了定量分析.计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考.     

Influence of turbulent atmosphere on the far-field coherent combined beam quality

Propagation of coherent combined laser beams in turbulent atmosphere is numerically studied based on the extended Huygens-Fresnel principle. By choosing beam propagation factor (BPF) and beam quality factor (BQ) to characterize the far-field irradiance distribution properties, the influence of turbulence on far-field coherent combined beam quality is studied in detail. The investigation reveals that with the coherence length decreasing, the irradiance distribution pattern evolves from typical non-Gaussian shape with multiple side-lobes into Gaussian shape which is seen in the incoherent combining case. In weak turbulent atmosphere, the far-field beam quality suffers less when the 1aser array gets more compact and operates at a longer wavelength. In strong turbulent atmosphere, the far-field beam quality degrades into the incoherent combining case without any relationship with the fill factor and laser wavelength.     

光纤非相干合成光束在湍流大气中的传输实验研究

进行了六路100 W量级光纤非相干合成光束在实际大气湍流中的传输实验,将六路光斑直径为9 mm的单模光纤光束分别扩束,扩束后的光斑直径为90 mm。基于倾斜镜的合束系统来控制各路光束的指向,在不同强度的湍流条件中,通过主镜口径为440 mm的发射系统水平聚焦传输至470 m处。倾斜控制系统闭环工作时,一倍衍射极限内的桶中功率占目标处总功率的比值是开环工作时的1.7倍左右,随着大气湍流的强度变弱,此比值变大。     

高功率光纤激光部分相干合成的可行性及效果分析

提出部分相干合成的概念,论证了谱线宽度和偏振特性并不是影响高功率光纤激光部分相干合成的瓶颈.与完全相干合成的理想情形相比,随着光束线宽的增大,部分相干合成光束的远场光斑图样基本保持不变,但峰值强度和斯特尔(Strehl)比随之减小,光斑能量越来越分散.利用数值计算的方法对部分相干合成与非相干合成光束的远场效果进行了比较分析.计算结果表明,尽管线宽的存在降低了部分相干合成的效果,但与非相干合成相比,部分相干合成的光束仍具有较大优势.     

多模光纤受激布里渊散射非相干组束的机理及理论模型

 基于布里渊散射耦合强度方程，分析了多模光纤受激布里渊散射非相干组束的机理，建立了其非相干组束的理论模型，并依据模型进行了理论计算。结果表明：在较长的多模光纤中，受激布里渊散射产生的Stokes光以LP­­₀₁模传输；其非相干组束过程是混合光分解成线偏振光的逆过程；计算的组束功率与T.H.Russel等人的实验结果相一致。最后，分析了组束光强的分布，表明了组束光强对模场尺寸的依赖关系，证明提高组束光强的有效措施是减小组束光的模场半径。     

Beam quality factor for coherently combined fiber laser beams

The beam quality factor for a coherently combined beam is studied in detail. A theoretical analysis and a numerical calculation are given to illustrate that the M² factor is not a proper means for evaluating the beam quality of a coherently combined beam. The beam propagation factor is introduced to evaluate the beam quality. The effect of phase error on the beam quality is also studied. Results indicate that the beam quality of a coherently combined beam depends mainly on the fill factor of the laser array and not on the number of lasers. It is also revealed that the allowed phase error does not change with the number of lasers in order to ensure the energy encircled in a certain bucket.     

Analysis of beam quality for the laser beams after spectral beam combining

The beam quality of the laser beams after spectral beam combining (SBC) has been analyzed in this paper. Based on the propagation model of the spectral beam combining system, the expression for the output field of an individual beam passing through the spectral beam combining system with lens aberration has been given and the intensity distribution of the combined beam has been studied by the principle of incoherent superposition. Consequently, according to the intensity second-order moments method, the M²-factor of the combined beam has been calculated and the effect of lens aberration on the characteristics of the combined beam has been analyzed quantitatively. It can be shown that the SBC system can improve the beam quality of laser array significantly, and the M²-factor of the combined beam passing through the ideal spectral beam combining system is almost the same as that of an individual beam. For the spectral beam combining system with lens aberration, the spherical aberration has greater effect on the off-axis beam than on the on-axis beam, and the beam quality of combined beam degrades with increase in lens aberration.     

多束超高斯激光相干合成的数值模拟

 建立了超高斯光束的相干叠加的数学模型，对比了光束间距为1 cm、超高斯阶数为12条件下25束高斯光束相干叠加与非相干叠加时的光强分布，发现相干合成的峰值光强为非相干叠加的峰值光强的近10倍，且光束质量也得到大大提高，有利于提高能量的利用率。分析了多种条件下相干合成的光强分布特性，结果表明：随机相位差小于十分之一波长时,相位差的变化对相干合成效果影响不大；当超高斯阶数大于10时对相干合成的峰值光强影响较小；随着相干发射阵列光束间距的增大，相干合成光强迅速减小，光束质量变差。得到了传输距离分别为10 m，100 m，1 km和5 km下的光强分布，表明合成的峰值光强随着传输距离的增加而由小变大，最后随着传输距离的进一步增大而衰减。最后得到了不同传输距离处的环围功率比。     

基于透射型体布拉格光栅的两通道2.5kW光谱组束输出

体光栅光谱组束是获得高功率激光输出的一种有效途径.在有限的可用带宽内,光谱通道间隔影响着组束光束数目以及最终的高功率组束输出.采用耦合波理论,建立了一个两通道高功率光谱组束模型.通过优化体光栅光谱通道间隔,可放宽对组束子束线宽和功率的限制,组束功率可大幅提升而光谱密度并无显著下降.基于此,实验上获得了2.5 kW组束输出,绝对效率超过85%,通道间隔5 nm,光谱密度为0.51kW/nm.组束功率1 kW时,组束输出能保持好的光束质量;组束功率1.5kW时光束质量恶化较明显,通过分析发现,组束光束质量的恶化主要受限于体光栅的色散及高功率下体光栅复杂的热畸变.     

掺Yb光纤激光器阵列谱合成系统的光束传输模型及光束特性分析

建立了由掺Yb光纤激光器阵列、变换透镜、闪耀光栅和输出耦合镜组成的光束谱合成系统的光束传输模型.在考虑光栅角色散、光栅刻槽倾角误差和光栅衍射效率情况下,利用光线追迹法、衍射积分方法、光束非相干叠加原理和强度二阶矩方法,推导出高斯光束非平行倾斜入射到闪耀光栅的相位变化公式以及谱合成光束的光强分布解析表达式.分析了高斯光束非平行倾斜入射到光栅后,光栅角色散、光栅衍射效率和光栅刻槽倾角误差对掺Yb光纤激光器谱合成系统输出光束特性的影响.研究结果表明,谱合成光束具有与单根光纤激光器几乎相同的光束质量;光栅角色散对合成光束特性的影响可忽略;随着光栅刻槽倾角误差的增大,谱合成光束的光束质量明显变差;当光栅刻槽倾角误差较大时,必须考虑光栅衍射效率对合成光束特性的影响. 关键词： 掺Yb光纤激光器 非平行倾斜入射 光束谱合成 光束质量     

湍流对离轴列阵高斯光束相干与非相干合成的影响

研究了湍流对离轴列阵高斯光束相干与非相干合成的影响.推导出了相干合成光束的传输方程.采用二阶矩束宽、桶中功率和参数β作为光束质量评价参数比较了离轴列阵高斯光束通过湍流大气的相干与非相干合成,并对主要结果给予了合理的物理解释.研究表明：一方面,不论是相干合成还是非相干合成,湍流都使得合成光束扩展、峰值光强下降,并且子光束数越多,合成光束受湍流影响就越小.另一方面,非相干合成光束较相干合成光束受到湍流的影响要小. 关键词： 相干与非相干合成 湍流大气 离轴列阵高斯光束     

基于多层介质膜光栅的谱合成系统光束特性分析

针对多层介质膜光栅在光束谱合成系统中的应用, 利用光线追迹方法, 建立了基于多层介质膜光栅的谱合成系统光传输模型. 多层介质膜光栅引入的相位调制包括浮雕表面上光程差与浮雕结构光程差两部分, 且受到光栅槽深、占空比和光束入射角等因素的影响. 利用衍射积分方法和光束非相干叠加原理, 计算模拟了基于多层介质膜光栅的谱合成系统的合成光束光强分布. 在此基础上, 利用强度二阶矩方法分析了合成光束的光束质量, 并讨论了多层介质膜光栅的槽深、占空比和制作误差等因素对合成光束特性的影响. 结果表明: 改变多层介质膜光栅的槽深和占空比以及中心光束入射角会影响合成光束能量, 但不会影响合成光束的光束质量, 合成光束的光束质量始终保持与单个子光束的光束质量相当; 多层介质膜光栅的制作误差对合成光束的光束质量和能量均存在明显影响.     

非傍轴径向阵列高斯激光束的传输特性

推导出相干和非相干非傍轴径向阵列高斯激光束的传输公式,并用以研究了径向阵列光束在自由空间的传输特性,重点分析了阵列光束参量对合成光束光强分布的影响。结果表明:阵列半径与束腰宽度之比是一个关键参量,当它固定时,相干和非相干合成光束的光强分布都保持不变,但合成光束的光强分布和远场轴上光强最大值都与合成方式有关。     

Coherent and incoherent combining of fiber array with hexagonal ring distribution

Beam combining of fiber array with hexagonal ring distribution is studied in detail. The theoretical analysis and numerical calculation results are given to illustrate the propagation properties of the resulting beam through free space. A comparison between the coherent and the incoherent case shows that high peak irradiance and good beam quality for coherent combining can be obtained in the far field. The effect of phase errors and the beam quality M² factor are also studied. Results indicate that the element numbers should be increased to achieve high power and the space between adjacent elements should be reduced to maintain good beam quality, which is basically the same for both coherent and incoherent beam combining.     

激光光强扰动对相干场成像降质影响理论研究

激光相干场成像系统发射多束激光,经大气传输对远程目标成像,大气湍流引起的激光束光强扰动是影响成像质量的一个关键因素.本文从湍流引起的激光束光强扰动对回波解调信号的影响关系入手,建立了激光回波光强扰动因子对相位闭合系数和成像频谱分量的降质传函理论模型;基于三光束激光相干场成像系统仿真验证了理论模型的有效性.研究表明激光相干场成像频谱分量和成像像质主要受三光束相位闭合求解算法中第二光束光强扰动影响.该研究揭示了激光回波光强扰动对成像像质的影响机理,对于分析大气湍流等引起的光强扰动降质效应和合理分配多光束光强稳定性以提高成像质量具有理论指导意义.     

Partially coherent Lorentz Gaussian beam and its scintillations

We study the scintillation aspects of partially coherent Lorentz Gaussian (LG) beams via numerically integrating the average and average squared intensity expressions. Within the examined range of input and propagation medium parameters, the LG beams are generally found to offer less and less scintillations against the pure Gaussian beam, particularly when the Lorentzian feature of the beam is emphasized more. This lower scintillation property is exhibited for collimated coherent beams with different Lorentz widths and at on-axis and off-axis positions of the receiver plane. When focusing is introduced, at shorter propagation distances the ordering of the beams remains as described above, but at longer propagations distances a complete reversing of the beam order is observed. Raising the turbulence levels by increasing the structure constant inevitably causes rises in scintillations, while preserving the advantage of LG beams over the pure Gaussian beam. Partial coherence reduces scintillations as expected, at the same time nearly eliminating the scintillation differences between the beam types.     

固体激光器光束合成特性分析

光束合成是研制高功率、高光束质量固体激光器的必由途径.建立板条介质固体激光器阵列光束合成的理论模型,从子束间距、整体相位差、偏振态、随机像差等方面,分析了合成光束的远场特性.通过数值模拟可以看到,子束间距决定了合成光束远场光斑的衍射旁瓣的大小和多少;子束间整体相位差决定着合成光束远场中心光斑是否分离,并影响着峰值光强和...     

偏振态对激光相干合成的影响

为了研究光束相干合成中偏振态的特性,取理想矩形光束进行模拟分析。通过改变偏振态的退偏率、偏振态夹角、参与合成的子束数目等,观察光场在远场叠加的合成效果。讨论了这些因素对远场合成效果的光强分布、峰值功率密度、光束质量因子等的影响。模拟结果显示:当退偏率小于10%、偏振态夹角小于18时,合成后光束质量因子小于1.1。     

两路120 W固体激光高光束质量相干合成

通过主动相位控制实现了两路固体激光器的高光束质量相干合成输出,总输出功率达到240W。建立了两路120W板条激光放大器,通过光束整形获得了高光束质量方形光斑,并实现了高占空比光束拼接,填充因子高于92.4%。研制了光轴一致性探测与控制系统,采用基于压电陶瓷的快反镜实现了光轴的高精度闭环控制,两束激光光轴一致性优于2μrad(RMS)。设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的相位探测与控制系统,用随机并行梯度下降算法(SPGD)锁定了两束激光的活塞相位。相位闭环后,远场光斑峰值提高到开环状态的1.7倍,为理想值的84%。合成光束主瓣包含67%的激光总能量,光束质量(BQ)为1.1。     

非傍轴部分相干厄米-高斯光束的相干和非相干合成

推导出二维非傍轴部分相干厄米-高斯（H-G）光束相干合成和非相干合成的交叉谱密度和光强的解析公式,并分析了一些特例. 合成光束的光强不仅决定于f参数,f_σ参数,离轴参数,合成光束的束数和阶数以及传输距离z,而且还决定于合成方式. 对部分相干光的相干合成和非相干合成概念做了物理诠释,其正确性为数值计算例证实. 关键词： 部分相干光的相干和非相干合成 非傍轴部分相干厄米-高斯（H-G）光束 自由空间中的传输方程