高功率光纤激光空间拼接的研究进展

付 翔,邓志峰,查申龙,汪 燕,吴顺风,占生宝

(1.滁州学院机械与电气工程学院,安徽 滁州 239000;2.安庆师范大学电子工程与智能制造学院,安徽 安庆 246133)

1 引 言

光纤激光器由于其高效的转换效率、便捷的热管理方式、以及良好的光束质量,多年来一直是激光技术领域经久不衰的研究课题。然而,由于受光学热损伤,非线性、光学热透镜效应限制[1],单个光纤激光器的输出功率还远不能满足高功率应用需求。为实现高能量激光输出,多种光纤激光合成技术应运而生,并逐渐形成相干与非相干两类合成方案。由于结构简单、成本较低,非相干合成方案一直是人们的研究热点[2]。

非相干合成包括谱合成和空间光束拼接两种类型。对于谱合成,其合成原理、研究进展等,相关文献已进行了详细报道[3-4]；而对于空间光束拼接,其研究结果虽有报道,但并没有相关文献对这些研究方法进行归类、也没有对其中的差异进行阐明。鉴于上述情况,本文在详细总结各类空间拼接方案的基础上,归纳了各类实现方案所采用的相关技术,并展示了这些拼接方案的独有特色。

2 利用转向镜的拼接方案

该方案首先由美国海军研究实验室(NRL)的Sprangle等人提出,其结构如图1所示。图中,光纤激光阵列发出的光束首先经准直镜准直,而后通过独立控制的反射镜将各光束指向靶标。需要强调的是,该反射镜是一种具有自适应光学功能的特殊反射镜,能通过波前探测获得波前斜率的变化,再经相关算法得到波前相位；而后由相关控制系统、将该相位反馈于波前校正器,最后控制反射镜各子模块利用该相位信息实现畸变波前的补偿。为最小化光束传输中出现的衍射扩展问题,他们在确保光束传输到靶标的距离小于两倍瑞利长度的情况下,采用光束扩展器(该扩展器由凹、凸透镜合成而得)将单个阵元的初始光斑扩大到一定尺寸,从而减小光束传输中的衍射扩展。对于由反射镜构成的光束定向器,他们的设计思路为:在假定单个阵元的衍射光斑半径为R的情况下,将准直镜的半径设计为Rc=1.2R,由此得到光束定向器的尺寸为a=N1/2Rc。图1的插入部分显示了七路光纤阵元组成的六边形阵列定向器结构。

图1 基于转向镜合成方案示意图

对于该设计方案,Sprangle等运用高斯光学理论,在49阵元方形阵列、每个阵元激光功率为2.5 kW、光斑半径为4 cm、输出波长λ=1.075 μm、输出总功率为123 kW的情况下,对光束拼接效果进行了仿真,结果表明,在传输距离为5 km的靶面处,该方案可实现合成功率为100 kW、光斑大小为100 cm2、光束质量因子为M2=1.1的拼接光束。此外,在NRL的现场实验中,他们对4路3 kW量级的光纤激光进行空间拼接。在中等强度大气湍流环境下,当合成光束传输至到1.2 km靶面处,获得了高于90 %的传输效率。尔后,NRL的研究人员使用4路光纤激光在星火靶场进行了打靶实验,当传输距离达到3.2 km时,拼接光斑直径约为10 cm,靶标接收的总功率约为5 kW,实验与理论分析结果基本吻合。

在进行上述拼接分析和实验的同时,Sprangle等还对空间拼接与相干合成的效果进行了比较,认为相干合成光束传输至5 km目标时、能量集中度远不及空间拼接效果。对于该结论,国防科学技术大学的周朴等人提出了质疑[5],认为其计算结果是在两种方案的激光阵列发射口径不对等、发射方式不一致的条件下得出的。为研判这两种方案的实际效果,周朴等运用共形发射体制、以桶中功率为标准,在19路光纤激光器排布两圈,每个阵元激光功率为10 kW、光斑半径为4 cm、波长λ=1 μm、输出总功率为190 kW、总发射口径D=40 cm的情况下,对其能量传输效果进行了计算,结果如图2所示。可以发现:在10 km内,无论是在自由空间、还是湍流环境中,空间拼接光束的传输效率都不高于相干合成光束的传输效率。

(a)光束拼接

(b)相干合成

前述已经提到,在光束空间拼接运用了一种光束指向优化技术。该技术具有克服装配误差、系统震颤以及湍流效应等影响空间拼接效果问题的能力,其原理是通过控制元器件内部属性、以及姿态的变化来获得各路光束倾斜相位变化,以此作为目标函数,通过其优化实现拼接光束指向精度的提升[6]。现行的光束指向优化技术中最常用的控制系统包括自适应光纤准直器(AFOC)[7]、快速转向镜(FSM)[8]两类。

AFOC控制光束指向方案首先由美国的Vorontsov 团队提出[9],随后,中科院自适应光学重点实验室开始了该器件的研制工作[9-10]。其具体研制思路是:采用SPGD算法作为倾斜控制策略,以远场光斑的桶中功率 (PIB) 作为评价函数,使PIB 最大化,从而间接地校正了激光阵元间的倾斜差[11-12]。2013年,Geng等在输出总功率为1.5 kW的四阵元光纤激光空间拼接实验中,对该器件的指向效果进行了验证[11]。实验装置如图3所示。图中,四元AFOC以方形排列,相邻光束之间的距离为84 mm,从阵列发射的准直输出光束由焦距为2 m的透镜聚焦。AR代表反-反射镜,BS代表分光镜,AR1将主要的激光能量导入功率探测器,来自AR1和AR2的反射光束被BS分成两部分,一部分送入显微镜和CCD相机观察。另一部分由高速CMOS摄像机检测,将反馈数据提供至控制单元,从而控制光束指向。实验中,在总输出功率为1.5 kW的情况下,归一化PIB的平均值从开环时的0.171增加到闭环时的0.798,且四束不同的激光束在远场能很好地重叠。

图3 AFOC控制激光合成系统示意图

对于运用快速转向镜(FSM)控制光束指向方案,其最早由NRL的Wilcox等人提出[13]。 2017年,Yang等人在四路光纤激光拼接实验中[14],利用FSM进行了指向优化效果的验证,实验采用改进的SPGD算法作为光束指向控制算法,运用模式识别检测算法的局部极值,利用“附加移动”方法跳出局部极值,由此克服了当算法陷入局部极值时影响拼接收敛速度的问题,实验装置如图4所示。

图4中,FSM代表快速转向镜、BS代表分光镜、M1和M2是传统反射镜、PH代表相位板,以相位板不同的旋转速度表示不同的湍流强度。实验中,四束激光被FSMs反射到靶标,靶标上的光强分布被CCD相机获取,控制单元对该强度分布进行分析并产生施加到FSMs上的控制电压,以实现光束指向的控制。实验结果表明,传统算法校正后的PIB值约为0.6,小于使用改进算法优化的PIB值,且校正后的强度分布图像明显优于校正过程开始时的强度分布,改进的算法可以有效提高传输效率。在此基础上,他们还将动量法与SPGD算法结合并应用于光束拼接实验,以动量法作为梯度的更新规则,不仅加快了迭代速度,而且保持了光束拼接过程的稳定性。在四束激光拼接实验中采用了该算法,结果表明,动量随机梯度并行下降算法在光束拼接领域具有良好的应用前景,是传统SPGD算法的良好替代。

图4 转向镜控制激光的拼接实验装置示意图

3 利用合束器的拼接方案

除运用转向镜进行空间拼接外,利用功率合束器进行光束拼接也是一种有效方案[15],如图5所示。合束器的制作流程如下[16]:首先,对输入光纤进行组束,使其呈紧密对称的排列,排列方式根据组束光纤的数量调整；随后对组束光纤进行拉锥,此操作是指通过加热组束光纤使其达到熔融状态,将光纤向两边拉伸,使光纤包层和纤芯直径等比例的减小；最后,当组束光纤被拉锥到目标直径后,在其特定位置截取光滑平整的端面并与输出光纤拼接。由此可以实现多路激光的空间拼接。分析表明:按照圆中心对称的方式排列的输入光纤能有效减少与输出光纤拼接时的损耗,相比于其他输入光纤数量的合束器,7 ×1合束器因其输入光纤束排列更接近于圆形,因此更容易承受大功率的激光传输；在拉锥过程中,拉锥长度与拉锥比例需要满足绝热拉锥和亮度守恒两个条件。合束器作为该方案中的关键器件,其基本结构如图5(b)所示,包括输入光纤、输出光纤和熔锥光纤束,熔锥光纤束由锥区与腰区两部分组成。由于激光在纤芯中传输,因此该类合束器的制作方法较为自由,仅需保证所有纤芯中的激光耦合进输出光纤即可。

(a)利用合束器拼接原理示意图

(b)合束器的制作示意图

2014年,德国耶拿大学运用该方案分别制作了两种7×1合束器进行拼接实验[17-18],第一种合束器如图6(a) 所示,在输入光纤的包层外通过低折射率环对激光进行约束,并在结构上进行了两次拉锥,第一次拉锥将输入激光拼接到纤芯直径为100 μm 的多模光纤中,第二次拉锥使该多模光纤耦合进纤芯直径为50 μm的输出光纤中。另一种合束器如图6(b) 所示,输入光纤没有进行低折射率环处理过程,直接被插入低折射率玻璃管中,只进行一次拉锥,随后,将输入激光拼接到纤芯直径为50 μm的输出光纤中。实验采用这两种合束器进行拼接实验,获得了大于5 kW的拼接激光输出,光束质量因子分别为M2≈6.5和M2≈4.6,通过比较得出,第二种方案不论是在耦合效率还是光束质量方面都明显优于第一种方案。

上述方案中,由于输入光纤要经过熔融拉锥才能更好的与输出光纤拼接,但在拉锥过程中各区域的长度对传输效率的影响还不能确定。为此,国防科技大学的Zhou等研究了在合束器制作过程中,锥区、腰区长度对合束器传输效率的影响[19]。分析得出,在高功率情况下,为保证传输效率,锥区长度的设置应大于8mm,且腰区长度应尽可能的短。以此为基础,Zhou等制作了7×1光纤合束器进行拼接实验,其结构如图7所示。实验在掺氟玻璃管的折射率为1.43、锥区长度为1 cm、输入光纤的纤芯直径与包层直径分别为20和130 μm、数值孔径分别为0.08和0.46的情况下,将光纤束逐渐变细后耦合进纤芯直径为50 μm、数值孔径NA=0.22的输出光纤中,测量各输入端口实测功率传输效率均在99 %左右,光束质量因子M2分别为6.0和6.3,与理论分析结果基本吻合。

(a)

(b)

(a)光纤合束器在接合点处的横截面

(b)光纤合束器原理图

在上述实验的基础上,为更好地描述熔锥光纤束的拉锥程度、提高合束器的传输效率,Zhou等提出了熔接拉锥比(STR)的概念[20]。定义STR=(Rout-R0)/(R1-R0),其中R1表示光纤的包层外接圆半径，R0表示输入光纤纤芯外接圆的半径,Rout为输出光纤纤芯的半径,如图8所示。图中显示了制作7×1合束器时的横截面结构,由于在制作合束器的过程中光纤与光纤之间的空气间歇会坍塌,因此熔锥光纤束的横截面会呈梅花瓣结构。通过仿真计算得出,STR等于100 %时,最高传输效率约为99.7 %,且当STR增加时光束质量也随之变的更好。实验在STR设置为50 %、掺氟玻璃管的数值孔径为0.22、锥区长度为20 cm、输入光纤的纤芯直径为20 μm、数值孔径为0.08的情况下,将光纤束逐渐变细后耦合进纤芯直径为100 μm、数值孔径为0.22的输出光纤中,得到光束质量因子M2≈10、输出功率为6.08 kW、传输效率为98.9 %的实验结果,证明该方案在高功率情况下有很好的表现。

图8 光纤合束器在接合点处坍塌后的横截面

为进一步探寻该方案在高功率下的实际拼接效果,2018年,国防科技大学的Lei等人制作了7×1合束器,并基于此完成了7个1080 nm左右光纤激光的拼接实验[21],其结构如图9所示。实验中,为尽量减少端面后向反射,合束器以自制的石英块头(QBH)作为端部；为控制工作温度的增长以及锥度段和拼接部分的加热,采用主动水冷散热装置最大限度地减少加热现象,保持合束器的稳定性。在使用七个波长为1080 nm的单模连续波光纤激光器、光束质量因子M2为1.2～1.4、输出光纤纤芯直径为50 μm情况下,获得了输出功率为14.1 kW、光束质量因子M2=5.37、总传输效率高于98.5%的实验结果,这是目前报道的利用合束器拼接的最高输出功率。

4 利用凹面光栅的拼接方案

利用转向镜进行光束拼接方案中最大问题是:随着组合元素的增加,光束指向器和转向镜数目的增加无疑会让系统更加复杂,由此导致光束指向难以控制。为减小系统的复杂度,2013年,文献[22]提出了一种利用单个凹面光栅进行空间光束拼接的构想,该构想的设计思路是:首先,光纤激光阵元的输出端通过V型槽固定,各光纤阵元的中心光线指向光栅极点；其次,依据拼接位置确定的衍射角和距离,在入射激光波长λ确定的情况下,利用光栅方程、焦点方程确定入射阵元的位置和入射角度。该构思的设计方案如图10所示。

图9 非相干合成结构示意图

图10 基于凹面光栅的非相干合成原理图

上述方案存在的最大问题是光栅衍射造成的像差问题,为此,我们团队对该设计方案的像差进行了研究。在光栅曲率半径为2 m、光栅周期为1 μm、衍射角β为30°、拼接距离为100 m、激光波长为1060 nm、模场半径为5 mm的情况下,获得了经光栅衍射后、归一化强度分布的仿真结果,如图11所示。可以看出:衍射光斑呈现严重的不对称分布,z方向上光斑半径达到250 mm,而y方向上光斑半径仅为20 mm,图像呈现严重的枕形畸变。

图11 1060 nm光束衍射后强度分布图

在衍射图像仿真的基础上,我们也对阵元波长为λi=λ0+2i,i=±1,±2,…±10(λ0=1060 nm)、模场半径为5 mm、距离为100 m的21阵元光纤激光的拼接效果进行了研究,仿真结果如图12所示。可以看出,拼接光束能够在z轴、y轴方向很好地实现空间重叠。在y轴方向拼接光斑直径约为40 mm,但在z轴方向的拼接光斑直径约为560 mm,这是因为光栅在z轴方向上的像差值比在y轴方向上的像差值高。

为克服像差带来的衍射图像畸变问题,采用迭代分析法,我们对光栅的架构进行优化。针对拼接距离为100 m的情况,优化前、后所得像差结果如图13所示。可以看出,优化后的最大像差值小于4×10-14m-1,该数值比优化前的像差低6个数量级。由此说明通过光栅优化,可使光栅的衍射图像得到有效改善。

在理论分析基础上,我们也着手进行相关实验研究,所搭建的实验系统如图14所示,实验结果将另行报道。

图12 21阵元拼接后归一化强度分布图

图13 1060nm激光经凹面光栅衍射后的像差曲线

图14 利用凹面光栅进行非相干合成实验装置图

5 总结与展望

针对当前高功率激光的拼接现状,本文归纳出3种不同的光纤激光拼接方案。阐明了各方案的拼接原理,综述了空间光束拼接的最新进展,详细分析了各拼接方案的具体实现过程,并呈现了这些拼接方案所取得的阶段性成果。通过这些阐述和分析,不难发现,利用转向镜拼接方案中虽然结构简单,但合成元件的数目增加将会使得系统复杂难以控制；利用合束器的拼接方案由于是全光纤结构,合成效率较高,但对技术要求较为苛刻；而对于利用凹面光栅进行的空间拼接,其实现所需元件的复杂度虽然较低,但像差对合成效果的影响不容忽视。目前,基于凹面光栅拼接的实验还在进行之中,其详细结果将后续报道。