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.     

多抖动法主振荡功率放大器相干合成技术

采用多抖动相位控制方法实现了两路和三路1 Ｗ量级光纤放大器的相干合成,对实验结果进行了详细分析。实验中,将种子光源输出激光分为两路（或三路）,分别通过光纤放大器进行功率放大,并采用多抖动法实现相干合成。控制系统开环时,远场光斑条纹模糊不清,两路和三路合成时条纹对比度分别为0.19和0.12;系统闭环时,远场光斑条纹清晰可见,对比度提高到0.93和0.81,合成效率分别为80%和77%。此外,对两路和三路的合成效果进行了比较,指出了各路的控制资源对合成效果的影响。     

基于随机并行梯度下降算法的多波长激光相干合成

由于受到受激布里渊散射(SBS)等非线性效应的限制,单频激光放大器的功率在百瓦量级,以非单频激光多波长激光作为种子源能够有效地抑制SBS并提高放大器功率.与单频激光相干合成相比,非单频率、多波长激光的相干合成有望将输出激光功率成量级地提高.基于随机并行梯度下降(stochastic parallel gradient descent,SPGD)算法,实现了四波长激光的相干合成.在系统闭环时,四路多波长激光合成后的主瓣能量能够提高3倍,达到理想值的75%.验证了多波长、非单频激光相干合成的可行性,为高功率相干合成的发展提供了新的途径.     

2 kW级光纤激光相干偏振合成

基于主动锁相相干偏振合成系统实现了四路500 W级全光纤窄线宽保偏放大器的共孔径合成输出。当相位控制系统处于闭环状态时, 整个合成系统的输出功率达2164 W, 合成效率为94.5%。实验中, 随着功率的提升, 合成效率未发生明显退化。这是目前相干偏振合成系统的最高输出功率。     

Coherent beam combining master oscillator-power of hybrid phase control in amplifier configuration

A novel scalable architecture for coherent beam combining with hybrid phase control involving passive phasing and active phasing in master oscillator-power amplifier configuration is presented. Wide-linewidth mutually injected passive phasing fibre laser arrays serve as master oscillators for the power amplifiers, and the active phasing using stochastic parallel gradient descent algorithm is induced. Wide-linewidth seed laser can suppress the stimulated Brillouin scattering effectively and improve the output power of the fibre laser amplifier, while hybrid phase control provides a robust way for in-phase mode coherent beam combining simultaneously. Experiment is performed by active phasing fibre laser amplifiers with passive phasing fibre ring laser array seed lasers. Power encircled in the main-lobe increases1.57 times and long-exposure fringe contrast is obtained to be 78% when the system evolves from passive phasing to hybrid phasing.     

Coherent beam combining of hybrid phase control in master oscillator-power amplifier configuration

A novel scalable architecture for coherent beam combining with hybrid phase control involving passive phasing and active phasing in master oscillator-power amplifier configuration is presented. Wide-linewidth mutually injected passive phasing fibre laser arrays serve as master oscillators for the power amplifiers, and the active phasing using stochastic parallel gradient descent algorithm is induced. Wide-linewidth seed laser can suppress the stimulated Brillouin scattering effectively and improve the output power of the fibre laser amplifier, while hybrid phase control provides a robust way for in-phase mode coherent beam combining simultaneously. Experiment is performed by active phasing fibre laser amplifiers with passive phasing fibre ring laser array seed lasers. Power encircled in the main-lobe increases1.57 times and long-exposure fringe contrast is obtained to be 78% when the system evolves from passive phasing to hybrid phasing.     

激光器的部分相干性对光纤激光器阵列相干合成远场图样的影响

考虑光纤激光器阵列相干合成的远场分布时，一般都认为单个激光器的输出光束是理想的高斯光束，实际上受各种因素的影响，一般激光器的输出光束都是一部分相干光.从部分相干光的高斯-谢尔模型出发，首次推导出了当单个激光器的输出光束是部分相干光时，激光器阵列相干合成的远场光强分布模型，并给出了数值模拟计算结果. 关键词： 光纤激光器阵列 相干合成 部分相干光     

子激光器功率差对光纤激光器相干组束的影响

设计了由两支光纤激光器通过耦合器组成的迈克尔逊腔型光纤激光器阵列,实现了相干合成输出,相干合成功率与完全相干合成的理论值偏差约9％。研究了子激光器功率差对低损耗端口相干合成特性的影响。结果表明：当子光纤激光器功率差减小时,耦合效率增大,理论与实验偏差减小,泵浦效率增大,输出功率增大,光谱中心波长基本不变;子激光器功率越大,子激光器功率差对以上物理量的影响越小。     

激光相干合成光束质量评价

针对光束合成的目的和合成光束的特征,对现有的光束质量衡量标准进行了分析,说明了这些标准的不足。提出用广义环围功率比作为新的激光合成的光束质量评价标准。对广义环围功率比进行了阐述,并对其在合成效果方面的评价进行了定性分析。应用广义环围功率比作为合成光束质量评价标准,物理概念清楚,评价合理,在工程测量上容易实现。     

大功率半导体激光器发展及相关技术概述

激光被称为"最快的刀"、"最准的尺"、"最亮的光",与原子能、计算机、半导体并称为20世纪新四大发明.大功率半导体激光器在工业加工、医疗美容、光纤通信、无人驾驶、智能机器人等方面有着广泛的应用.如何实现大功率半导体激光光源,一直以来都是国际的研究前沿和学科热点.为此,简述了大功率半导体激光器的发展历史,综述了大功率半导...     

激光相干合成光束质量评价

针对光束合成的目的和合成光束的特征,对现有的光束质量衡量标准进行了分析,说明了这些标准的不足。提出用广义环围功率比作为新的激光合成的光束质量评价标准。对广义环围功率比进行了阐述,并对其在合成效果方面的评价进行了定性分析。应用广义环围功率比作为合成光束质量评价标准,物理概念清楚,评价合理,在工程测量上容易实现。     

高能光纤激光系统浅析

对相干合成型和非相干合成型高能光纤激光系统进行了分析与比较。引入光束传输因子(BPF)作为合成光束的光束质量评价因子,计算了单元光束质量、大气传输、跟踪抖动、相位控制等因素对合成光束质量的影响。对高能光纤激光系统的未来发展趋势进行了初步探讨。     

1 MV紧凑型重频Marx发生器绝缘设计和数值分析

通过分析六氟化硫气体在静态高电压和脉冲高电压作用下的绝缘特性对Marx模块式开关结构和外筒尺寸进行了优化设计,着重优化设计了Marx发生器中的两个关键绝缘部位——开关腔体结构和外金属筒与顶部电容绝缘距离,并通过数值模拟计算,分析了该区域的局部3维电场强度分布。结果表明:最大场强均小于六氟化硫的沿面闪络和电击穿场强阈值。对模块式开关腔和外筒尺寸进行优化得到的绝缘结构满足0.3 MPa下六氟化硫的绝缘要求。     

基于随机并行梯度下降算法的光束相干合成技术

介绍了随机并行梯度下降算法的基本原理,对算法流程进行了仿真验证,并对其中随机扰动幅度和增益系数两个关键参数进行了仿真分析。分析结果表明,这两个参数存在一个最适区间,只有在此区间内取值时算法才能有效收敛。以仿真分析为依据开展了光纤激光的相干合成实验,结果表明光束相干合成效果显著,有效地验证了仿真分析的结果。     

基于公共环形腔耦合的光纤激光器相干合成技术

为提高光纤激光器无源自调整相干合成阵列的效率、稳定性和可扩展性,提出了基于公共光纤环形腔耦合与单模光纤滤波的光纤激光器相干合成方案。将多个2×2的光纤耦合器分别插入各单元激光器的谐振腔,利用耦合器余下的端口,两两相连构成公共环形耦合腔。采用单模光纤滤波技术,提高了各输出激光束之间相位锁定的稳定性。利用该方案在实验上实现了三路光纤激光器的被动锁相输出,实验测得的远场干涉光斑、输出功率及光谱均表明该方案适于构建性能较好的光纤激光器相干合成阵列。     

激光场相干叠加光束合成技术

光束拼接激光相干合成中,拼接占空比不高导致合成光束能量集中度不够理想,为了解决这个问题,提出了激光场相干叠加光束合成技术路线,设计了基于半反半透合束镜的多级激光场相干叠加光束合成方案。研究了子光束之间的光强差和波面误差对相干合成的影响,结果表明,激光场相干叠加光束合成中,对参与合成子光束的光强差、相位差的容差均不难满足：仅考虑单一因素时,子束光强相差三倍时合成效率仍可达90%,相位误差小于/5时,合成效率可达到90.5%。搭建了基于半透半反合束镜的两束激光场相干叠加光束合成实验装置,实验验证了激光场相干叠加光束合成技术的可行性,在闭环情况下得到了稳定的合成光束输出,合成效率可达95%以上。     

基于公共环形腔耦合的光纤激光器相干合成技术

 为提高光纤激光器无源自调整相干合成阵列的效率、稳定性和可扩展性,提出了基于公共光纤环形腔耦合与单模光纤滤波的光纤激光器相干合成方案。将多个2×2的光纤耦合器分别插入各单元激光器的谐振腔,利用耦合器余下的端口,两两相连构成公共环形耦合腔。采用单模光纤滤波技术,提高了各输出激光束之间相位锁定的稳定性。利用该方案在实验上实现了三路光纤激光器的被动锁相输出,实验测得的远场干涉光斑、输出功率及光谱均表明该方案适于构建性能较好的光纤激光器相干合成阵列。     

两路关联光纤激光器互注入锁相实验

基于角锥互注入锁相相干合成方案,利用光纤Bragg光栅（R=85％@1064nm）作为两路光纤激光器的共用腔镜,实现了两路光纤激光器相关联,进一步提高了激光的互注入能量。采用外腔结构,较容易实现了两路光纤激光器的能量互注入锁相。在实验上观察到了远场清晰稳定的干涉条纹（可见度超过0．8）,获得了功率合成效率约为80％的线偏振相干激光输出。     

基于迈克尔逊型耦合腔光纤激光器相干合成的理论与实验研究

为使光纤激光器在自由空间中进行有效的相干合成,提出了耦合臂上带有会聚透镜的迈克尔逊型耦合腔,并将外腔配置为f－f结构以增强内部反馈.利用高斯光束的ABCD定律分析了外腔的传输特性,详细研究了外腔偏离f－f结构对相互注入耦合效率的影响,指出输出光纤端面与透镜前焦平面的偏差是影响反馈耦合效率的关键因素.基于此特别设计的迈克尔逊型耦合腔,实验上实现了两路光纤激光的有效相干合成.当透镜被移走时,阵列输出功率下降为原始值的78.5％,且相干态变得不稳定.     

Coherent beam combination of adaptive fiber laser array with tilt-tip and phase-locking control

We present an experimental study on tilt-tip(TT) and phase-locking(PL) control in a coherent beam combination(CBC) system of adaptive fiber laser array.The TT control is performed using the adaptive fiber-optics collimator(AFOC),and the PL control is realized by the phase modulator(PM).Cascaded and simultaneous controls of TT and PL using stochastic parallel gradient descent(SPGD) algorithm are investigated in this paper.Two-fiber-laser-,four-fiber-laser-,and six-fiber-laser-arrays are employed to study the TT and PL control.In the cascaded control system,only one high-speed CMOS camera is used to collect beam data and a computer is used as the controller.In a simultaneous control system one high-speed CMOS camera and one photonic detector(PD) are employed,and a computer and a control circuit based on field programmable gate array(FPGA) are used as the controllers.Experimental results reveal that both cascaded and simultaneous controls of TT using AFOC and PL using PM in fiber laser array are feasible and effective.Cascaded control is more effective in static control situation and simultaneous control can be applied to the dynamic control system directly.The control signals of simultaneous PL and TT disturb each other obviously and TT and PL control may compete with each other,so the control effect is limited.