基于空间结构内部锁相的光纤激光相干合成技术

介绍了本课题组近年来在基于空间结构内部锁相的光纤激光相干合成方面的研究工作,给出了空间结构内部锁相相干合成的基本原理,搭建了七路低功率光纤激光阵列实验系统,结果表明在内部相位噪声校正基础之上,可以稳定补偿外部相位差进而实现激光阵列同相位输出,验证了内部锁相方法的可行性。进一步介绍了空间结构内部锁相技术在目标在回路相干合成、阵列光束光场调控等方面的拓展应用,通过实验论证了空间结构内部锁相技术能够有效提升目标在回路相干合成系统的相位控制带宽,并在远场有效生成轨道角动量光束阵列,其拓扑荷数可从−1到+1切换。     

基于衍射光学元件的激光相干合成研究进展

从衍射光学元件的基本原理出发,围绕连续波和脉冲波两大应用领域,综述了国内外基于衍射光学元件实现共孔径相干合成的研究进展。在国内,上海光学精密机械研究所分别实现了连续光和脉冲光的合成,连续光实现了206 W的输出功率,光束质量1.38,合束效率29.6%;脉冲光实现了峰值功率1.02 kW,重复频率2.2 MHz的ns级脉冲相干合成光束,合束效率61%。在国外,连续光方面实现了5 kW量级的合成光输出,合束效率82%;脉冲光方面实现了平均功率150 mW,重复频率100 MHz的fs级脉冲相干合成光束,合束效率83.4%。最后对基于衍射光学元件的激光相干合成技术的未来发展做出了展望,相信在不久的将来,基于衍射光学元件的相干合成技术会不断发展,逐渐突破技术瓶颈,从而为更多的应用领域奠定坚实基础。     

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。     

基于高功率激光输出端相位控制的光纤激光相干合成

利用压电陶瓷相位调制器在高功率光纤激光输出端进行相位控制,实现了两路瓦量级光纤激光相干合成.系统闭环时长曝光图样的条纹可见度为98%,峰值强度是开环情形下的1.87倍.     

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。     

飞秒光纤激光相干合成技术最新进展

飞秒光纤激光器具有平均功率高、散热性能佳、光束质量好和空间体积小等优势,在基础研究、工业加工、生物医疗等方面得到越来越广泛的应用.相干合成技术能够有效克服光纤中有害的非线性效应和热效应的影响,进一步提高飞秒光纤激光器输出的脉冲能量和平均功率.本文介绍高功率飞秒光纤激光器相干合成的基本技术路线,重点阐述相干合成技术中关于...     

脉冲光纤激光被动相干偏振合成研究

提出了脉冲激光被动相干偏振合成方案．利用光反馈环形腔结构实现多路激光的自组织被动锁相,利用级联偏振合柬的结构实现多路激光偏振合成,实现多路相干光束同轴输出．开展了4路脉冲激光相干偏振合成实验研究,获得了91．9％的合成效率,可获得时域、空域特性均十分稳定的合成脉冲激光．该方案为获得高功率脉冲光纤激光提供了一条可行的技术途径．     

激光阵列部分相干合成的光束质量

由于单束激光部分相干性和相位控制系统带宽性能的限制,大功率激光阵列的相干合成一般只能取得部分相干合成的效果。对存在相位控制残差情形下部分相干合成光束在真空中的传输特性进行分析,推导激光阵列在远场光强的解析表达式。对单束激光的相干性以及相位控制残差对合成光束质量的影响进行了定量计算。     

光纤激光器阵列的多抖动法相干合成

采用自行设计的基于大规模可编程门阵列（FPGA）结构的控制电路,实现了4路光纤激光的多抖动法相干合成。对大气湍流和机械振动引起的相位噪声进行了有效补偿,使远场光斑条纹对比度由开环时的0.21提高到了闭环时的0.93,闭环时远场特定孔径内的能量较开环时提高了3.3倍。该方法还对人为抖动光纤引起的较高频率噪声具有很好的抑制作用,系统闭环后,远场光斑条纹对比度可达到0.72。     

基于目标在回路的三路光纤传输激光相干合成实验

实验验证了一种利用目标回光在远场实现相干合成的技术——目标在回路技术.建立了目标在回路相干合成的物理模型,利用可同时调整光程和光束倾斜的自适应光纤光源准直器,同时补偿合成光束间的平移和倾斜相差,实现了基于目标在回路的三路光纤传输激光间相干合成,获得了接近理想情况的合成效果.文章为在实际大气环境中实现多路相干组束的长距离传输提供了参考.     

三路掺镱光纤放大器的相干合成实验研究

光纤激光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。采用主振荡并联放大器（MOPA）方案对三路掺镱光纤放大器进行实时相位探测与校正,其中每路光纤放大器的输出功率大于等于1 W,三路总功率大于等于3 W。采用铌酸锂光纤相位调制器,外差法系统的移频量为40 MHz,相位探测与校正精度优于l/20,整个光路为全保偏光路。实验分别给出了两路和三路光纤放大器的相干合成结果。系统开环时,远场光斑为动态、模糊干涉条纹,条纹可见度为7%和6%;系统闭环运行时,远场光斑为稳定、高对比度干涉条纹,条纹可见度有大幅度提高,达到44%和48%。这表明闭环控制使两路和三路光纤激光的相位变化得到了有效补偿,系统实现了相位锁定运行和高相干度合成输出。     

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     

多芯双包层光纤激光器相干合束纤芯最优化排布

基于衍射理论推导出多芯双包层光纤激光器的远场相干光光强理论模型,并在此基础之上,系统地分析比较了纤芯不同排布方式的合束效果,重点研究了纤芯的单层圆环排布、多层圆环排布、方形排布、正六边形堆积排布4种方案的合束效果,及在一定纤芯排布下纤芯直径、纤芯轴间距、出射平面与衍射平面间距离、波长对合束效果的影响。研究发现：在纤芯数目一定的情况下,单层圆环排布的合束效果最优,其次是方阵排布;纤芯数目越多,截面利用率越高,可获得更大合束最大光强;方阵排布方式及正六边形堆积排布方式可有效提高截面利用率;增大纤芯直径,减小纤芯轴间距、减小出射平面与衍射平面间的距离、减小波长可以获得更好的合束效果。     

光纤放大器阵列的远场特性研究

从光纤激光器阵列相干合成远场光强分布的解析表达式出发，详细研究了阵列占空比、阵元个数以及阵元的相位误差对相干合成远场图样分布、中心主瓣的角宽度及所占能量的影响. 给出了占空比为12.5%时，三路保偏光纤放大器相干合成的实验结果. 关键词： 光纤激光器阵列 相干合成 相位     

多芯双包层光纤激光器相干合束纤芯最优化排布

 基于衍射理论推导出多芯双包层光纤激光器的远场相干光光强理论模型,并在此基础之上,系统地分析比较了纤芯不同排布方式的合束效果,重点研究了纤芯的单层圆环排布、多层圆环排布、方形排布、正六边形堆积排布4种方案的合束效果,及在一定纤芯排布下纤芯直径、纤芯轴间距、出射平面与衍射平面间距离、波长对合束效果的影响。研究发现：在纤芯数目一定的情况下,单层圆环排布的合束效果最优,其次是方阵排布;纤芯数目越多,截面利用率越高,可获得更大合束最大光强;方阵排布方式及正六边形堆积排布方式可有效提高截面利用率;增大纤芯直径,减小纤芯轴间距、减小出射平面与衍射平面间的距离、减小波长可以获得更好的合束效果。     

全光纤激光阵列主动相位控制技术研究进展

全光纤激光阵列主动相位控制利用全光纤网络实现阵列激光的活塞相位内部探测与控制,具有结构紧凑、无需外部反馈光学器件和易于扩展等优点,是大阵元规模光纤激光相干合成重要发展方向之一。采用全光纤相位探测结构,介绍了全光纤激光阵列主动相位控制技术的系统原理和利用光纤耦合器实现相位锁定的过程,总结了全光纤激光阵列主动相位控制关键技术,通过优化算法实现全光纤激光阵列主动相位控制验证实验。探讨了在全光纤结构主动相位控制中π相位模糊问题及解决方法,给出了利用双波长探测实现消除π相位模糊问题的仿真结果。最后梳理了全光纤激光阵列主动相位控制研究现状,并从路数扩展、功率提升和应用等方面进行了展望。