被动相干合成技术

姜玲玲, 吴先友

(1 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601;2 中国科学院合肥物质科学研究院医学物理与技术中心, 安徽 合肥 230031)

1 引 言

随着激光技术的飞速发展,高能激光光源在多个领域均占有一席之地(如激光雷达、自由空间通讯、工业加工等),但是单台激光器受到一些物理因素(如光学元件的损伤阈值、工作物质的热效应和光栅尺寸等)的限制,其输出能量(功率)有限,并且随着激光输出能量的提高,光束质量会变差[1,2]。因此单纯地依靠单一激光器输出具有一定质量的高能激光光束遇到了很多短期看来不可克服的困难。为实现这一目标，科研人员通过多路耦合、串联等技术手段来提高单台激光器的输出能量未果。

在此背景下提出的光束相干合成(Coherent beam combination)技术，其基本思想是：将若干束性质相同的光束经过相位控制后在空间交叠的区域产生相干叠加,合成一束光进行输出，这就使得远场光斑信息发生变化以及光强重新排布。高效率光束相干合成的基本要求是合成阵列中的单台激光器几乎完全相同,这样才能实现相长干涉。若没有满足这个要求,则会使系统合成效率受损[3]。利用相干合成技术能够有效地缓解单个激光介质随着抽运功率的提高而产生的热效应，在获得高功率、高亮度的同时保持光束质量，因此相干合成技术在高能激光领域有非常重要的研究意义和应用前景。激光器问世不久后，科研人员就展开了对相干合成技术的研究[4]，经过几十年的发展,光束的相干合成技术已经成为激光输出功率和输出亮度可扩展的重要手段[5～7]。

相干合成的技术方案按是否通过外界手段来干预探测并校正相位误差,可分为主动相干合成技术(主动有源锁相相干合成技术)和被动相干合成技术(被动无源锁相相干合成技术)两大类[8,9]。主动相干合成技术如并联主功率放大(MOPA)[10,11]等实现相干合成的过程及原理为:将种子源激光器输出的激光束分成多束,经过声光移频器后提取其中一束作为参考光,利用放大器对每路光束进行放大,相位调制器对输出光束和参考光束之间的相位差进行实时探测并加以校正,从而达到相位锁定的目的,实现多路激光器的相干合成。基于MOPA 结构的相干合成装置中,除了种子源激光器、功率放大器、声光移频器和相位调制器等,还需要一系列对光路进行调整的光学元件(透镜和分束器)。这种结构的缺点是容易受到振动、弯曲、温度等因素的影响而发生相位改变,所以系统的稳定性较差[12]。

相比之下,被动相干合成技术由于结构简单、稳定性好备受科研人员的青睐。目前,研究人员提出并证实的合成结构有:基于全光纤结构的相干合成[13～16]、基于多芯光纤的相干合成[17,18]、基于自成像外腔结构的相干合成[19～25]以及基于环形腔结构的相干合成[26]等。各研究机构也先后提出众多的合成方案并加以证实[27～29]。本文对典型的被动相干合成结构进行了分析和总结。

2 典型的被动相干合成方案

2.1 全光纤结构的相干合成结构

全光纤相干合成结构的合成原理是:抽运光通过波分复用器进入每根掺杂光纤,耦合器将各个光纤激光器的输出能量耦合到一根光纤中进行输出,基于系统的自组织特性在耦合器中实现相位锁定。Sabourdy 等[15]将2 根和4 根光纤利用此方法进行相干合成,分别实现了79 mW 和152 mW 的相干合成输出,合成效率分别为99%和95%。Fig.1 为Sabourdy 等利用4 根光纤利用全光纤相干合成结构进行相干合成的实验装置图。2009 年,Wang 等[16]利用此方法实现了50 W 的被动相干合成输出,合成效率为92.8%。

2.2 多芯光纤的相干合成结构

多芯光纤的制作机理是将多个相同的光纤以圆形阵列或方形阵列集中在同一个包层内。Fig.2 为多芯光纤结构的截面图。基于多芯光纤结构的相干合成技术的相位锁定原理是:当抽运光在内包层内传输的同时也会对光纤阵列进行抽运,纤芯之间的距离可达微米量级,一个光纤的振荡模式会影响其余光纤的振荡模式,从而各个光纤的振荡模式会相互关联,在传输过程中,光纤阵列之间通过倏逝波实现耦合,从而达到锁相的目的。在利用该方案进行相干合成时,面临的难点在于多芯光纤的制作以及热效应(输出功率高时)。

Fig.1 Schematic diagram of all-fiber coherent combination [15]

Fig.2 Cross section of multi-core optical fiber structure

2.3 基于自成像原理的外腔相干合成

2.3.1 自成像原理

共焦腔中不同位置的光场如Fig.3 所示。

Fig.3 The light field at different positions in confocal cavity [30]

在M1处的光场为E(x,y),光传播到傅里叶透镜L 处时,可由菲涅尔-基尔霍夫公式推导出此处的光场为[30]

式中f 为L 的焦距。经过透镜L 后光场分布为

腔镜M2的光场为

由(3)式可知,M1腔镜处的光场E(x,y)经过傅里叶变换后成为M2腔镜处的光场G(X,Y)。也就是说,光场E(x,y)在远场的分布为光场G(X,Y)。

2.3.2 自傅里叶外腔相干合成

基于傅里叶腔结构的相干合成方案[19～21]属于外腔相干合成技术,它基于远场夫琅禾费衍射原理将衍射光斑信息反馈到激光器合成阵列[30]，实现了合成阵列单元之间的相互注入，达到了相位锁定的目的。此外，激光经过外腔往返一次，光场完成一次傅里叶变换。为了保证光纤激光器阵列产生的光学图样和经过一次往返后的光学图样一致,则光纤激光器阵列纤芯之间的距离可表示为[31]

式中傅里叶透镜的焦距f =2F, F 是透镜的全程焦距,a 是纤芯半径。因此,只要合理地设计光纤激光器的输入结构, 就可以使输入光学图样和经过外腔往返后的光学图样一致。Fig.4 为改进后的傅里叶外腔结构装置图。

Fig.4 Schematic diagram of Fourier external-cavity [20]

2.3.3 自成像腔结构的相干合成技术

自成像腔相干合成技术[22,23]的原理是利用空间滤波器和输出耦合器构成外腔,实现多路激光器的自组织锁相输出。Fig.5 为自成像腔相干合成技术的实验装置图。准直镜L1和L2放置在傅里叶透镜L的前焦面,输出耦合镜M3放置在傅里叶透镜L 的后焦面,激光阵列输出光场在腔内往返一次正好产生自己的像。在输出耦合镜M3上放置一个空间滤波器的作用是滤除相位不一致的模式,将相位相同的模式进行反馈[31]。因此,相位相同的模式可以在激光腔内实现振荡,得到自组织锁相输出。文献[12]中提到利用自成像腔实现两路光纤激光器的相位锁定,输出能量大于2 W。

Fig.5 Schematic diagram of self-imaging resonator [23]

2.4 基于环形腔结构的相干合成技术

基于环形腔结构的相干合成技术主要应用于光纤激光器。Fig.6 为环形腔结构的实验装置图。在光反馈环形腔中的N 路光纤经过放大器放大后,通过准直器进入分束器。在分束器的作用下,小部分激光经反射通过傅里叶透镜聚焦耦合进入单模反馈光纤,另一部分光作为整个相干合成系统的输出[31]。在这个系统中,单模反馈光纤起到了空间滤波作用,其选择相位相同的模式进入反馈回路。单模光纤提供的反馈信号通过分束器进入各路光纤放大器,并作为种子激光进行放大。因为种子光和光纤放大器的输出特性有关,而种子光是由整个合成系统的一部分输出光经单模反馈光纤形成的,所以每一路光纤放大器的输出特性与其他路的光纤放大器有关,从而实现了光反馈环形腔相干合成输出。在这个系统中,相位不同的模式则被单模反馈光纤滤除。2013 年,He 等[26]利用复合型环形腔结构对8 路光纤激光器进行相干合成,实现了1066 W 的输出。

Fig.6 Schematic diagram of ring resonator [26]

2.5 固体激光器的相干合成研究进展

激光相干合成技术最先应用于固体激光器和半导体激光器,随后又应用到光纤激光器中。国内外关于相干合成技术的研究在光纤激光器领域较为广泛,对固体激光器的相干合成研究较少,其在固体激光器领域多基于系统的自组织和各激光器之间的能量相互注入实现系统的相位锁定。2012 年,Li 等[32]利用偏振元件将两路独立的Nd:YAG 激光器相互关联,获得了4.4 W 的部分相干激光输出。2018 年,Zhao等[33]利用迈克尔逊腔型实现了三路Nd:YAG 激光器的相干合成, 相应的输出功率为124.4 W,合成效率为66.7%。

最近,本课题组基于能量相互注入和自组织原理实现了两路Nd:YAG 激光器的相干合成,相干合成后的输出能量远远大于激光器独立运行时的输出能量,合成后的亮度也得以大大提高。另外,系统的稳定性较好、自组织性强。

3 评价参数-光亮度及合成效率

上述方案输出后的关键参数是能量和光束质量,也可以用光亮度来表示[7]。光亮度可表示为

式中P 为输出功率;λ 为工作波长; M2为光束质量;C 是一个常数,其取决于光束的定义和发散角,对于高斯光束,C = 1。2007 年,Lei 等[34]采用六镜腔结构进行相干合成,合成后的亮度为12.66k, 其中k=1/λ2。

为了对合成效率的高低进行评价,引入一个参数η 代表合成效率,其可表示为

式中P 为系统合成后的输出功率,PN为系统中参与相干合成的激光器独立运行时的输出功率。近年来,被动相干合成方案的合成效率如Table 1 所示。

Table 1 Research progress of coherent efficiency

Ref.[14]报道了基于全光纤结构实现腔内光纤耦合器与光纤激光器的相干相加;Ref.[35]提到:首次利用两种自适应增益光栅全息激光谐振腔的组合方案实现了相位共轭自组织相干光束组合;Ref.[36]报道了相位共轭自组织相干光束组合的新技术,实验结果表明,由于相位共轭自适应激光器的光谱模态自由,可实现多种高质量激光器的有效“全无源”组合; Ref.[37]报道了一种基于环形腔结构的全光纤多通道脉冲激光器的自组织无源相干光束组合;Ref.[38]报道了一种基于角立方反射器(Corner cube reflector)实现光纤激光器之间相互注入和相位锁定的方法;Ref.[33]提出了一种改进光束质量的同轴多光束无源相干组合,并利用级联迈克尔逊型腔进行了验证。从报道的文献中可以知道,被证实方案基于系统的自组织特性实现单元激光器之间的相位锁定,但由于方案本身存在的局限性,并不能实现100%的合成效率。被动相位控制相干合成还在系统复杂度、激光数目、合成效率等参数方面寻求平衡的过程中[4]。

4 结 论

随着激光加工、自由空间通讯、光电对抗等领域对高能激光系统的需求,相干合成技术也得到迅速的发展。特别是,近年来随着光纤激光器的问世,相继提出并证实了众多的合成结构,相干合成技术也朝着高输出功率水平、高重复频率、任意波段的方向发展。虽然各种被动合成结构存在自身无法避免的缺点,但不可否认的是,被动相干合成技术已经成为功率、亮度可扩展的一种重要手段。