高功率激光器的光谱合束技术研究

穆让修，张 佳，龙井宇，李 刚，卜英华，韩耀锋，寿少峻

（西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

引言

围绕激光对小目标的毁伤需求，小型化激光武器对激光源的要求是高功率、高光束质量[1-4]。光纤激光器具有结构紧凑、光束质量好、热管理方便等优势。受限于热效应、非线性效应、泵浦源亮度等，单路近单模光纤激光的输出功率有限。光束合成作为突破单束激光功率限制的一种有效途径，包括相干合束和非相干合束。非相干合束又包括光谱合束、偏振合束、空间阵列合束，以及光纤合束等不同技术途径。光谱合束利用具有空间色散特性元件实现不同波长激光束合成，合束元件一般为双色镜、光栅和棱镜等[5-9]。在光谱合成系统中，合束元件是整个系统的核心部件。

光谱合束工程应用中，双色镜具有结构简单、技术难度低、易实现等特点，成为应用研究的重点方向。双色镜又称二向色镜，是利用大陡度二向色镜将2 束红外激光合为一束，最终可获得万瓦以上的高能激光输出[10]。双色镜作为光谱合束系统的关键器件，其物理特性是影响合束效率的重要因素。本研究旨在从双色镜本身性质出发，对双色镜的激光辐射热形变进行仿真分析，计算合束光斑在远场的激光参数，达到研究光谱合束在工程应用中有效的目的。

1 光谱合束原理

光谱合成对参与合成的激光波长间隔有要求，而对激光波前相位和偏振态没有严格要求。基于双色镜的光谱合成可承受较高的激光功率，要求激光波长宽度不小于10 nm，采用2 个中心波长为1 070 nm 和1 090 nm 的激光器进行合成。双色镜对不同波长的透射和反射是由多层介质薄膜实现的。针对合束的不同波长反射和透射特性选取合适的膜层，使其中的某个波长达到最大反射率，而另一波长则满足最大透过率。双色镜的技术难度在于当合成子光束的波长差限制在10 nm～20 nm附近时，要求器件的高反射/高透射过渡带限制在几个nm。在工艺上，这需要极高的膜层表面平整度（对应粗糙度标准差小于1 nm），合束效率取决于镀膜、基底材料和激光谱宽，典型效率可以达到大于95%，参考文献[10]对该仿真结果进行了详细的介绍。图1 为利用双色镜实现光束2 合1 的原理示意图，其中1 070 nm 激光为反射，1 090 nm激光为透射。

图 1 双色镜合束原理示意图Fig.1 Schematic diagram of dichroic mirror beam combination

2 热仿真分析

光谱合成过程中，双色镜需承受万瓦级的激光功率持续辐照，双色镜吸收透射激光及反射激光的部分功率产生热量，当热量累积到一定程度后，镜片将会产生热变形，热变形严重时将会形成类透镜现象，进而导致参与合成激光束的光束质量发生退化。为此，光谱合成设计中，在选定双色镜材料时，需依据材料的热特性参数对其热效应进行分析。采用光机热集成的分析方法，对各光学元件的状态进行分析[11-12]。仿真只针对基底材料的形变量，不考虑膜层材料，对单束激光功率10 kW，光斑直径15 mm，进行光谱合束，要求双色镜的膜层抗损伤阈值不小于70 kW/cm2。

在分析过程中，建立双色镜的有限元计算模型，采用顺序耦合法，将元件边界条件输入到有限元计算软件中，获得温度载荷下的元件有限元数据，再将热分析数据转化为应力分析的初始条件，解出各节点位移量数据。将节点数据导出，利用Zernike 多项式拟合离散的有限元数据，获取Zernike 多项式系数参数。对所获得的参数进行光学分析，得到双色镜受热变形后的光学表面面型值，以双色镜的面型为参考，得到双色镜热形变、散热方式等是否可行的结论。图2 为典型光机热分析流程。

图 2 光机热分析流程Fig.2 Flow chart of optical and mechanical thermal analysis

基底材料融石英（二氧化硅SiO2）的热力学参数包括热导率、比热容、热膨胀系数、杨氏模量、拉应力和压应力等。二氧化硅材料的热力学参数如表1 所示。

表 1 二氧化硅的热力学参数Table 1 Thermodynamic parameters of SiO2

考虑入射激光初始条件及合束双色镜厚度、尺寸、入射光斑直径、制冷环境等，单路激光功率分别为500 W、10 kW，光斑直径15 mm，双色合束镜片尺寸Φ20 mm×4 mm，自然对流冷却条件下，辐照时间120 s 情况下，计算得到双色镜的温升和形变量，如图3 所示。

图 3 镜片温度分布图Fig.3 Diagram of mirror temperature distribution

上述仿真结果中，激光辐照功率越高，元件的形变量越大，对激光光束质量的影响越严重。10 kW辐照下的双色镜的镜面形变RMS 值为2.9×10-9m（0.004λ，λ=632.8 nm），仿真结果如表2 所示。

表 2 双色镜热分析形变量仿真结果Table 2 Simulation results of thermal analysis and deformations of dichroic mirror

再通过光学设计软件，设置倾斜为10°，材料为融石英的双色镜，追迹理想情况和热变形后的单路透射光情况，得到成像像差RMS=0.001 5λ，仿真结果如图4 所示。根据文献[13]及工程经验，当RMS 值小于1/30λ时，可认为光束质量无变化，因此可认为，热效应对光束质量的影响可忽略。

图 4 热变形后的点列斑Fig.4 Spot array values after thermal deformation

3 远场光斑参数

高能激光远场辐照度分布参数是检验高能激光武器系统性能的一项重要参数[14-17]。

设定计算模型：2 束光经过光谱合束后在远场L处形成的光斑示意图，如图5 所示。

图 5 合束激光在远场的激光光斑示意图Fig.5 Schematic diagram of laser spot of beam combination laser in far field

从激光源出来的准直激光束经过短距离空间传输，进入光谱合束单元，依据合束光斑中心偏差，光束平行性偏差，数值计算可得合束后激光光斑在远场L处的强度分布，再由二阶矩公式求出远场L处的合束直径dc。具体计算方法如下：

两功率相同均为P0的光谱合成激光束B1和B2的束腰半径分别为w10、w20，光束质量因子为M2，束腰处初始光线位置矢量分别为其中，表示光束中心的空间坐标，δ=δ1-δ2表示两光束中心光线的夹角。其中B1束激光的中心光线为坐标z轴，其他初始条件不变，则。进一步假设两光束中心位置偏存在于y方向，即，为计算合成光束的远场强度分布，分别计算2 束中心光线的远场位置坐标，设远场参考距离为L，利用激光束的光线变换矩阵可得2 光束在距离L处的强度分布为

为了进一步验证本文方法的有效性，采用像元为140×132的InSAR真实数据生成的干涉图，并将本文方法和常用的InSAR干涉图解缠方法进行比较，其解缠结果如图3所示.

合成光束在远场的强度分布为

可求合成光束在L处的二阶矩半径：

根据定义，远场光斑直径等于2 倍的二阶矩方差之和，则有：

得到合成光束的远场发散角为

2 束光在双色合束镜上的中心偏差 δ分别取0 μrad 和10 μrad，束腰直径取9 mm，光束质量因子取1.2，计算远场300 m、500 m、1 000 m 和3 000 m处的激光光斑参数（见表3），包括光斑直径和远场发散角。

表 3 合束激光远场光斑参数仿真计算结果Table 3 Simulation results of laser spot parameters of beam combination laser in far field

4 合束效率

4.1 理论值

图 6 1 090 nm 透过率测试曲线Fig.6 Testing curve of 1 090 nm transmittance

透射元件的透过率计算公式为

式中：T1、T2表示2 个面的透过率；α表示吸收系数；d表示元件厚度。

当元件厚度为4 mm 时，根据（8）式可求得双色镜合束效率。2 束相同功率的1 070 nm 激光和1 090 nm 激光的理论合束效率为0.975。

4.2 试验结果与讨论

试验中分别对满功率500 W 连续1 070 nm 激光和500 W 连续1 090 nm 激光进行2 合1 光谱合束，400 mJ 20 Hz 脉冲1 064 nm 激光和500 W 连续1 090 nm 激光进行2 合1 光谱合束。

对连续1 070 nm、1 090 nm 激光合束，经测量，合束效率可达95.6%，试验测试结果如表4 所示。

表 4 连续1 070 nm、1 090 nm 激光合束效率试验测试结果Table 4 Test results of beam combination efficiency between 1 070 nm and 1 090 nm continuous laser

脉冲1 064 nm、连续1 090 nm 激光合束，由于合束后表征量分别为能量（mJ）和功率（W），只能分别测量合束前后激光能量或功率，试验结果如表5 所示。经测量，1 064 nm 脉冲激光经双色镜的反射率可达97.5%，1 090 nm 连续激光经双色镜透过率可达95.2%。

表 5 脉冲1 064 nm、连续1 090 nm 激光合束效率试验测试结果Table 5 Test results of beam combination efficiency between 1 064 nm pulse laser and 1 090 nm continuous laser

通过上述连续1 070 nm 激光、连续1 090 nm 激光合束试验测试和1 064 nm 脉冲激光、连续1 090 nm激光合束试验测试，可得合束效率高于95%。

5 结论

本文介绍了基于双色镜的光谱合束，通过仿真计算万瓦级单束光对合束器件的热效应影响和合束激光平行性偏差在远场带来的光斑参数差异。通过试验测试了连续激光与连续激光的光谱合束效率以及脉冲激光与连续激光的光谱合束效率，考虑测试设备的测量不确定度为2%，测试结果与理论设计值相吻合。双色镜的合束效率可到95%以上，验证了基于双色镜的合束系统可有效应用于高能量高功率激光设备系统中。