两路固体激光相干合成的实验研究＊

杨 卓，程 勇，陈 霞，卢常勇，刘秉琦

（1.军械工程学院 光学与电子工程系，河北 石家庄 050003；2.武汉军械士官学校 光电技术研究所，湖北 武汉 430075）

引 言

相干合成技术是指激光器采用多模块结构，控制各单元（孔径）激光器输出光束的相位达到锁相输出［1］。作为实现高功率、高光束质量和高可靠性激光输出的有效途径之一，相干合成技术已成为国内外高能激光领域的研究热点。

目前研究多集中于光束的相位锁定即实现相干的方法上［2－6］，对相干组束的特性研究较少。然而，光束的远场光强分布体现了能量的集中程度，对实际工程应用非常重要。文献［7］研究了占空比对光纤激光器自成像相干组束的远场光强分布的影响，文献［8］理论模拟了光纤激光器在高阶模式的远场相干条纹的峰值功率和条纹对比度，文献［9］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、中心主瓣的宽度及所占能量的影响。

文中基于互注入锁相相干合成理论，提出了实现两路固体激光相位锁定的新方案，并对激光束的间距和激光棒的尺寸对干涉条纹的影响开展了实验研究。研究发现，占空比和高阶模是影响干涉图样的主要因素。

1 实验装置与原理

采用角锥棱镜实现两路固体激光互注入相干合成的实验方案如图1所示。角锥棱镜和平面输出镜构成谐振腔，两个相同的Nd∶YAG介质激光棒直径5mm，两端镀1 064nm增透膜，侧面磨毛。采用LD1和LD2的808nm激光二极管均匀侧面抽运，抽运脉宽250μs，重复频率1Hz。在输出镜M1和Nd∶YAG圆棒之间插入小孔光阑。全反镜M3和全反射棱镜L2构成转折系统，可控制两光束之间的距离。通过放置CCD于透镜L3焦平面上来观察两路激光的远场分布。

图1 两路固体激光器相干合成实验结构图Fig.1 Schematic of phase－locked two lasers

角锥棱镜是该方案的核心器件。两束激光通过角锥棱镜后，两两相互注入，实现互注入锁相。研究人员THORNBURG、FABINY和TERRY等分别解释了互注入相干合成的原理，给出了单模运转下，各激光器光场和增益缓变方程［10－12］：

其中E为激光器内的光场，G为增益系数，a为衰减系数，κ为两个激光器光场之间的耦合系数，p为抽运系数，ω为激光器的运转频率，τc为光子在谐振腔内往返一次所需的时间，τf为上能级粒子的自发辐射寿命。

在实验中，由于两路激光器所采用的抽运源、增益介质等元件的参数几乎完全相同，可认为两路激光器的抽运系数、增益系数、衰减系数和光强振幅都相等。令Ei＝Xiexp（iφi），i＝1，2。则有X1＝X2，G1＝G2。式（1）～式（4）化简可得

当Δω满足Δω≤2κτ－1c时，两路激光器的相位才能随时间变化收敛于一个固定值（0，π或－π）实现两路激光器的相位锁定。由于实际中初始相位差为0一般难于满足，所以一般相位差收敛到π，输出为异相模。

2 实验结果与分析

2.1 两路激光器相干合成远场分布

采用一个焦距1m的正透镜将两路激光进行聚焦，由衍射理论可知，其焦点光强分布与激光合成输出的远场分布相似，只是大小比例缩小。利用Spiricon公司的LBA－FW－SCOR20型激光光斑分析仪测量两路激光合成后的光强分布。首先用平面全反镜挡在角锥棱镜前，观察平平腔两路激光合成的远场分布：能量成高斯分布，如图2所示；然后撤走平面全反镜，使用角锥棱镜实现能量相互注入，观察角锥腔两路激光合成的远场分布：远场的干涉条纹非常清晰，为一典型的异相模分布，如图3所示。由实验与理论对比可知，两台原本各自独立工作的激光器通过能量的相互注入，使它们之间的振荡模式相互关联，相互影响，从而达到共同的工作状态，实现了锁相输出。

图2 平平腔两路激光远场分布Fig.2 Far－field intensity profile of the two beams from PP resonator

图3 角锥腔两路激光远场分布Fig.3 Far－field intensity profile of the two beams from CCR resonator

2.2 占空比对干涉图样的影响

选用直径1mm的小孔光阑使两束激光呈基模输出。两路激光出射时的间距为20mm，光束直径约为1mm，通过增大全反射棱镜L2和反射镜M3之间的距离可以将出射激光束的间距变小，从而增大占空比。试验中光束间距不同时的远场分布如图4所示，其中图4（a）、图4（b）和图4（c）分别是间距为20mm、10mm和5mm时观察到的相干合成后的光斑图样和光强分布图。从图中可以看出，随着间距的减小，占空比增大，相干合成后的光斑数量减少，光斑的宽度增大，光强分布也也发生了变化，相干度明显提高。

图4 光束间距不同时的远场分布Fig.4 Far－field intensity profiles of the two beams of different space duty

2.3 高阶模对干涉图样的影响

保持两路激光出射间距为20mm时，通过增大小孔光阑的直径可以输出更多的模式。图5（a）～（f）分别是不同直径下的相干合成后的光斑图样和光强分布，光阑直径D分别为5mm、4.1mm、3.3mm、2.6mm、2.2mm、1mm。在相同泵浦的条件下，合成功率分别为290mJ、220mJ、156mJ、113mJ、77mJ、28mJ。从图5（a）～（f）中可以看出，在光阑直径较大时远场没有相干的迹象，随着光阑直径减小，相干度不断增大。而由合成功率的变化可以看出，随着光阑减小，输出功率不断减小。由于高阶模内部存在0～π相位差，当存在高阶模时，光束质量较差［13］，但激光器工作在高阶模时可以得到更高的功率。

图5 出射光束直径不同时的远场分布Fig.5 Far－field intensity profiles of the two beams with different diameters

3 结 论

利用角锥的后向反射特性，实现了两路固体激光的相位锁定，并且能在远场形成清晰稳定的相干图样。通过对占空比和高阶模对干涉条纹的影响的研究，可以发现，随着激光光束间距的减小，占空比的增大，相干合成后的光斑数量减少，光斑的宽度增大，相干度则明显提高；随着出射光束直径的增大，光束质量变差但合成功率增大。因此，在固体激光相干合成中，应尽量提高占空比来提高能量集中度，选用适中的激光棒尺寸来保证光束质量和输出功率。研究工作对固体相干合成具有一定的参考价值和指导意义。

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