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。     

基于紧聚焦方式的阵列光束相干合成特性分析

为获得高功率、波长量级尺寸的聚焦光斑,提出利用紧聚焦方式实现阵列光束相干合成的新方案.通过建立阵列光束经紧聚焦方式相干合成的物理模型,分析了阵列光束的排布方式、偏振态、束宽、间距和紧聚焦系统数值孔径等参数对合成光束特性的影响及规律.结果表明,阵列光束经紧聚焦方式合束时,线偏振及圆偏振阵列光束均能获得较好的合成效果,径向偏振阵列光束次之,而角向偏振阵列光束则不能有效地合成.通过优化阵列光束的排布方式、束宽和间距,以及合理选择紧聚焦系统的数值孔径,能在保持较好光束质量和较高合成效率的前提下获得能量集中度高的焦斑.     

二维固体激光阵列逆达曼光栅相干合束技术模拟研究

采用逆达曼光栅将二维锁相相干的激光阵列进行相干合束并进行孔径装填是获得远场单一主瓣大功率高光束质量激光输出的一种有效技术方案,将其应用于大尺寸5×5固体激光相干阵列相干合束中,并进行了固体激光阵列合束孔径装填的理论分析和原理性验证实验,测量了系统的实际合束效率,同时进行了后焦面逆达曼光栅的加工和放置误差对合束效率影响的详细分析。实验结果表明,逆达曼光栅用于固体激光阵列相干合束是一种有效的技术方案,且可以通过调节光栅周期和傅里叶透镜焦距来适应系统对激光阵列占空比的要求。这对于开发基于逆达曼光栅相干合束的高功率高光质量的全固态激光系统具有重要的意义。     

基于偏振自适应和主动相位控制的相干合成的实验研究

进行了非保偏放大器与保偏放大器的相干合成的实验研究。通过随机并行梯度下降（SPGD）算法对非保偏放大器进行偏振自适应控制,使非保偏放大器输出激光的消光比达到11.5 dB,与保偏放大器在同一偏振方向上的光功率占总功率的93.4%。利用单抖动法进行非保偏放大器与保偏放大器的主动相位控制,实现相干合成。实验结果表明:SPGD算法能够有效实现偏振自适应控制,偏振自适应控制前后相干合成远场的条纹对比度从80.1%提高到87.2%,相干合成的效果提升明显;通过增加参与合成的放大器路数,并在各路激光中引入多级功率放大器,能够得到更高的合成功率输出。     

全光纤光反馈环形腔结构多路激光被动相干合成

提出了基于全光纤光反馈环形腔结构的多路光纤激光相干合成方案,实现了多路激光的被动相干合成。全光纤结构避免了传统孔径拼接输出结构的旁斑能量耗散问题,保证了合成光束的光束质量。开展了实验研究,实现了4路光纤激光的相干锁相输出,获得时域、空域特性均十分稳定的合成光束,合成效率为96.1%,取得较好的合成效果。     

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.     

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...     

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.     

基于多层电介质光栅光谱合成的光束质量

基于电介质光栅的光谱合成是实现高功率高光束质量激光的重要途径. 在电介质光栅的光谱合成系统中, 光栅色散效应是影响合成激光光束质量的重要因素. 本文推导了单光栅和双光栅光谱合成系统中由于光栅色散引起M²因子的变化公式; 详细讨论了这两种合成系统中单路激光线宽、单路激光光斑半径、相邻两路激光波长差、相邻两路激光间距以及光栅周期对光束质量的影响. 研究表明对于单光栅合成系统, 在合成过程中若保持光束质量M²因子的大小不变, 则单路激光带宽随光斑半径的增加而减小; 在双光栅光谱合成系统中, 在保持光束质量的前提下, 单路激光带宽可随光斑半径的增大而相应增加. 数值计算表明, 若要满足合成光束的光束质量M² ≤1.2的要求, 在单光栅系统中激光线宽需窄于亚纳米量级, 在双光栅系统中激光带宽可为亚纳米. 本文为高功率、高光束质量的光纤激光光谱合成系统的搭建提供了理论指导.     

系统误差对相干偏振合成效率的影响

基于偏振合成技术,以提高系统的合成效率为目的,针对合束过程中存在的几种主要系统误差进行了系统分析和定量计算。结果表明,相对于重叠误差、角度倾斜和偏振合束器的吸收损耗而言,半波片的调整误差是导致合成效率下降的主要因素,尤其是在系统向多路合成拓展时,其影响更加显著。若偏振合束器自身损耗为0.015,光束倾斜角为2°,重叠误差为5%,则16路光束的偏振合成效率仍高于92.5%;当半波片方位角出现0.045rad的偏差时,即使不考虑其他误差,系统合成效率低于74%。     

Coaxial combination of coherent laser beams

Based on polarization state conversion, a technique for coaxially coherent combination of laser beams is introduced. Laser beams can be coaxially coupled into one beam with high combination efficiency and perfect beam quality. A polarized laser beam combination system based on master oscillator power amplifier （MOPA） configuration is developed and the efficiencies of both unit combination and the whole system are investigated. In the experiment of combining four beams with single longitudinal mode, a combination efficiency of 85.3% is achieved. It can be further enhanced by improving the stability of experimental environment and the quality of optical and mechanical components.     

基于自适应桶中功率评价函数的光纤放大器相干合成实验研究

光纤激光光束合成技术被公认为是实现高亮度、高光束质量激光束的优秀方法, 而激光阵列间的倾斜像差是影响合成效果的重要因素. 针对当前光束合成中存在的倾斜校正量受限问题, 提出了基于自适应桶中功率(PIB)评价函数的倾斜控制策略. 搭建了两路2 W光纤放大器的相干合成实验平台, 利用自制的压电环光纤相位调制器和自适应光纤准直器分别实现锁相和倾斜像差校正, 验证了基于自适应PIB的倾斜控制策略的可行性, 并实现了相干合成. 关键词： 光纤激光阵列 倾斜控制 自适应桶中功率 相干合成     

不同波形脉冲激光的时域误差对相干合成的影响

相干合成技术是实现高功率、高亮度光纤激光系统的重要技术途径.然而, 脉冲激光阵列中常常存在时域误差,这将影响脉冲激光的相干合成效果. 建立了脉冲激光存在时域误差时的相干合成理论模型,并在不同波形(方波、三角波、正弦波) 的脉冲激光存在时域误差时,对相干合成光束在远场的脉冲波形、峰值功率、 光强分布和桶中功率(PIB)等特性进行了数值计算和对比分析.计算结果表明: 方波脉冲激光相干合成光束的脉冲波形受时域误差影响严重,光强分布和PIB随着时域误差 的增大发生线性变化;三角波脉冲激光相干合成光束的脉冲波形和峰值功率受时域误差 影响严重,光强分布和PIB在时域误差较大时随着时域误差的增大发生较为剧烈的变化; 正弦波脉冲激光相干合成光束具有较好的输出特性,在两路正弦波脉冲激光相干合成中, 将两脉冲之间的时延控制在脉冲持续时间的10%以内,就能取得良好的合成效果.     

利用非相干组束获得激光加工高功率光源

利用非相干光纤激光组束技术可以获得激光加工和光学制造的高功率光源。传输透镜及衍射光栅是决定组束系统效率的关键部件,通过理论分析和数值仿真,结果表明透镜焦距25cm、光栅频率200mm-1对组束系统是较为合适的。在此条件下,组束系统的平均衍射效率可以达到52.96%,输出功率可以达到千瓦量级。     

高斯光束的合成特性分析

 建立了矩形阵列高斯光束合成模型,采用数值模拟方法计算了光束间距、单元光束特性以及阵列结构等参数对非相干合成和同相位相干合成的远场峰值强度及光束质量的影响,描述了非同相位相干合成可能产生的结果,讨论了同轴与非同轴合成,相干与非相干合成的特点。结果表明：非相干和同相位相干合成时的光束质量随着单元光束的增多而变差,并且随着光束间距与单元光束束腰之比的增大而下降;而非同相位相干合成的结果较为复杂,可能产生完全相消干涉,合成光束“重心”离轴及束腰位置偏移等现象。分析认为：同轴合成可以获得最佳的光束质量,是值得采用的合成方式。此外,同轴相干合成优于非相干合成的充分条件是将单元光束之间的相位差控制在(-π/4,π/4)以内。     

三路矩形光束相干合成波像差与光束质量

根据相干合成的原理,建立了三路矩形光束相干合成的数学仿真模型,根据数学模型编写了仿真程序;模拟计算了1～21阶泽尼克像差下,单路矩形光束和三路矩形拼接光束的波像差与光束质量因子关系的拟合系数;建立了波像差与因子关系的计算表达式。分析了影响拟合系数的因素,结果表明:拟合系数总体上随着泽尼克像差系数增大而增加。比较了单路矩形光束与三路矩形拼接光束拟合系数的相似点和不同点,并分析了造成拟合系数不同的原因。     

The polarization property and irradiance distribution of incoherent and coherent Gaussian beam combinations

Based on the beam coherence-polarization (BCP) matrix, the polarization property of coherent and incoherent Gaussian beam combinations is studied in detail. The general expressions for the degree of polarization P of the resulting beam in case of incoherent and coherent combinations are derived. It is shown that P is dependent on the incoherent or coherent combination, propagation distance, separation, azimuth of the polarization plane and numbers of beamlets in general. The irradiance distribution of the resulting beam for the coherent cases depends on the azimuth of the polarization plane of beamlets. However, for the incoherent case it does not.     

Tiled-aperture coherent beam combining of two high-power fibre amplifiers

We demonstrate coherent beam combining of two tiled-aperture single-frequency fibre amplifiers with a total output power of 29.65~W by using the multi-dithering technique. The two laser beams are packaged closely by using free-space mirrors side by side into a tiled-aperture with a near-field fill factor of 62\%. Active phase control of the amplifier is performed on commercially available digital lock-in amplifiers. Experimental results show that the power contained in the main-lobe in closed-loop is 1.72 times greater than that in open-loop, which is 86\% for the ideal case. The fringe contrast of the far-field fringe pattern is as high as 80\% when the system is in closed-loop. The beam quality of the combined beam is computed to be BQ = 1.48. The whole system in closed-loop performs well in a long-time observation.     

激光合束光学系统气体热效应影响分析

为了分析激光合束光学系统的成像质量,本文研究了激光合束光学系统的热耦合效应。借助光学设计软件建立激光合束系统模型,基于传热学理论,根据光学系统结构及流场条件参数建立气体流体模型。根据光线追迹法编写用户自定义函数,通过数值模拟定量研究了介质气体热效应引起的波像差系数。仿真分析了气体热效应在不同时间下对激光合束光学系统的影响。结果表明,受重力影响激光合束系统热效应的旋转对称性变得不再明显,随着温度升高呈现分层变化,且非均匀热效应以低阶像差为主。将波像差系数导入光学设计软件,可实现复杂光场与热场耦合传函的定量分析,波像差劣化0.3λ,传递函数下降0.1。