光纤激光谱合成改善光束质量的研究进展

付 翔,汪 亚,邓志峰,王玉婷,刘清海,乐文冉,马宏亮,查申龙,占生宝

(1.安庆师范大学,安徽 安庆 246133;2.滁州学院,安徽 滁州 239000)

1 引 言

高功率、高光束质量激光是军事和民用等众多领域追求的目标。随着光栅性能的不断改善,以光纤为增益介质,通过谱合成获得低成本下的高功率输出,已成为当下研究热点[1-2]。对于高功率激光而言,光束质量是衡量其性能的重要指标之一。理论上,经谱合成输出的高功率激光,其光束质量与单路激光的光束质量相同[3]。然而,实际合成中,随着阵元数量的增加,不同波长激光经光栅衍射的效果不同,必然导致合成光束质量的下降[4-5]。为确保合成光束的优良性能,人们对谱合成的光束质量进行了大量的理论和实验研究。

本文依据这些研究,将其成果归类成窄线宽法,双光栅色散补偿法,以及抑制光栅热变形法3种改善方法。并依据这3种方法,详细介绍了光束质量提升的研究现状和取得的阶段性成果。

2 基于窄线宽改善光束质量的研究进展

2.1 高功率、窄线宽输出激光的研究进展

理论和实验表明:影响光束质量最关键的因素是谱线宽度[6]。以单个多层电介质光栅(MLD)谱合成为例,若要获得光束质量因子M2<1.5的合成光束,必须确保单路激光谱线宽度小于36 GHz[7]。由于受激布里渊散射(SBS)效应影响,单频激光(线宽为千赫兹量级)的输出功率(毫瓦量级)极低,难以满足大功率应用需求。针对该情况,研究人员提出了一种利用单频激光通过相位调制,再结合主振荡功率放大(MOPA)结构的方案[8],如图1所示。

图1 单频相位调制MOPA示意图

首先,由单频激光器产生出单频信号,由高频信号发生器产生出调制信号；其次,将单频与调制信号同时注入相位调制器,实现单频信号调制；最后,将得到的调制信号注入多级功率放大器,实现高功率、窄线宽激光输出。目前,该方案采用了正弦、白噪声(WNS)、伪随机编码(PRBS)相位调制等实现方法。

采用正弦相位调制法,2015年,国防科技大学进行了高功率窄线宽激光产生实验[9],如图2所示。

图2 正弦相位调制MOPA

其具体实验过程为:首先采用波长分别为1064.4 nm和1063.8 nm单频激光器作为种子源,以100 MHz的正弦信号为载波,实现单频信号调制；然后将该调制信号注入三级预放大器,获得功率为20 W的激光输出；最后将该输出信号注入长度为9 m的双包层掺镱光纤主放大器(YDFA)。该实验获得了线宽为2 GHz、M2=1.4、功率为1.41 kW的激光输出。

上述实验虽然获得了高功率、窄线宽激光输出,但输出光束质量不算太高。为进一步改善光束质量,2016 年,Nader A等人采用PRBS + WNS相位调制方案,开展了高光束质量的激光输出实验[10],如图3所示。种子源采用1038 nm 和1064 nm 的两路单频激光,首先使用PRBS信号将1064 nm激光调制到吉赫兹量级后预放大至2 W,再利用WNS相位调制将1038 nm激光调制到18 GHz后预放大至20 W；然后使用波分复用器(WDM) 对两路信号合并。最后将合并后的信号注入功率放大器。该实验获得了功率超过 1 kW、线宽为 2.3 GHz、M2<1.2的高质量激光输出。

图3 伪随机码+白噪声相位调制MOPA

2.2 利用窄线宽改善光束质量的研究进展

运用单频相位调制方案,2011年,Wirth 等人[11]利用MLD光栅,开展了四路高功率光纤激光千瓦量级的谱合成实验,如图4所示。其中,种子源为低功率单频激光器,采用噪声调制法将种子源的光谱扩展至90 pm,经放大后、单路激光最大输出功率可达到2.1 kW。对于四路激光的谱合成,当合成功率小于 2.4 kW 时,M2<1.5；而当合成功率大于 2.5 kW 时,M2开始增加,当合成功率达到7.3 kW时,M2=4.3。该实验结果表明:随着合成激光功率的增加,光束质量逐渐变差。分析其原因,可能缘于两个方面:第一,随着单路激光功率的增大,激光模式从低阶模跳变为高阶模,导致线宽展宽,由此降低光束质量；第二,随着光栅辐照强度的增大,光栅热变形也会导致光束质量的劣化。

图4 四通道窄线宽谱合成示意图

针对上述高功率激光合成时存在的光束质量退化问题。2013年,Aculight团队在确保模式不发生跳变的情况下,将线宽为3GHz的调制信号注入MOPA[12]。在采用1740 lp/mm的MLD光栅作为合成器、单路功率为300 W的情况下,实现了12路光纤激光、M2=1.35的谱合成。该结果表明模式不稳定是影响光束质量的一个重要因素。2015年,该团队再次将激光阵元扩展至96路,在确保模式不发生跳变的情况下,获得了M2=1.6的合成激光。究其光束质量下降的原因,除多路光束对准偏差外,高功率情况下光栅热变形可能是导致光束质量下降的另一因素。

2.3 利用超荧光窄带滤波改善光束质量的研究进展

前述已经提到,SBS效应是限制窄线宽激光输出效率的关键因素。为提高泵浦利用率,人们提出了利用超荧光抑制SBS、获得窄线宽光源的方案。

超荧光是一种在特定方向上加强的“放大的自发辐射”。由于其在光谱范围内无纵模、且光子分布均匀,因而具有抑制SBS效应的优势[13-14]。且经过滤波,其输出线宽可保持在皮米到亚纳米量级。实验表明:当光谱线宽在10 pm量级时,抑制SBS的效果可达20 dB以上[15]；因此利用超荧光是获得高功率窄带光源的一种简单而有潜力的方案[16]。

运用超荧光窄带滤波光束作为光源,2015年,北京工业大学进行了两束激光的谱合成实验[17],如图5所示。

图5 两路ASE谱合成装置

其实验过程为:首先使用环形器和不同中心波长的光纤布拉格光栅对同一宽带超荧光种子源进行滤波,获取两路中心波长分别为1060 nm和1078 nm、3 dB带宽均小于60 pm的窄线宽超荧光光束；然后将其注入YDFA。经放大后得到功率分别为57.4 W和56.6 W、M2小于1.7的两路激光输出。以此为基础,采用透射体布拉格光栅作为合成器,获得了功率为104.2 W,M2约为1.7的合成激光。合成较单路光束质量没有明显的降低。

上述实验虽然验证了超荧光在谱合成中能保持较好的光束质量,但该实验的功率仅为百瓦量级。为验证高功率下、该方案谱合成的光束质量,2016年,上海光机所进行了8路千瓦量级的谱合成实验[18],如图6所示。

图6 8路ASE谱合成系统

图中上半部分为种子源产生装置。该种子源由YDF和一个反向泵浦源构成。由其产生的ASE光束经滤波、放大后,得到功率为60 mW、线宽为70 pm的窄线宽种子源。种子源光束经三级主放大器放大后,获得功率为1.5 kW,斜效率约为70 %的激光输出。更换不同波长滤波器,重复上述过程,得到8路不同波长的激光输出。以此为基础,使用MLD光栅 (960 lp/mm)作为合成器,最终获得了最大功率为10.8 kW,合成效率为94%、M2大于5的合成光束。分析表明:光束质量劣化的原因在于种子源固有功率噪声引入的自相位调制效应,造成了单路激光的光谱展宽。2017年,他们对上述方案进行改进[19],采用另一块与上述参数完全相同的光栅,对波长为1070.9 nm的激光进行色散补偿,在单路功率约为1.7 kW情况下,7路激光合成获得了最大功率为 11.27 kW、合成效率为92.8%、M2小于2.5的合成激光。分析表明:色散引起的谱线展宽是限制光束质量的又一重要因素。

3 基于色散补偿改善光束质量的研究进展

针对色散引起的谱线展宽导致光束质量下降问题,2004年,Liu等人提出了一种利用双光栅抑制光谱展宽的方案[20],如图7所示。两块光学参数完全相同的衍射光栅平行放置,当N束不同中心波长的激光,经准直后以相同的入射角平行入射到第一块光栅时,光栅的色散使N束激光以不同的衍射角重叠在第二块光栅上。由于两块光栅参数完全一致且刻线方向平行,经第二块光栅衍射后,所有波长激光的指向依然一致。由此可实现N束激光高质量的谱合成。

图7 双光栅谱合成原理图

3.1 理论研究进展

对于该方案,P.M等人从理论上进行了论证[21]。其思路为:首先依据光栅方程,在考虑色散的情况下,计算出衍射光束的畸变放大倍数。然后结合双光栅SBC系统中满足传输条件的光栅间距,得出线宽与光束质量的关系。该关系为:双光栅情况下,M2的增加项仅与线宽和光斑尺寸相关。由于消除了初始发散角的影响,因而合成光束质量得到改善。

依据该关系,文献[22]对双MLD光栅的合成光束质量进行了分析。指出在M2<1.2的情况下,单路激光线宽可放宽至亚纳米量级。进一步,文献[4]比较了单、双光栅结构下,谱合成的M2随线宽的变化趋势,如图8所示。可以看出,对于单光栅系统,当线宽大于10 pm时,M2随线宽呈指数增加；当线宽达到1000 pm时,M2约为11；而对于双光栅系统,当谱线宽度达到1000 pm时,M2仅增加0.8,表明双光栅系统能有效改善光束质量。

图8 M2随线宽的变化曲线

除线宽外,文献[23]还对双光栅谱合成时,阵元间隔、光谱占空比等影响M2的因素进行了分析,除得出阵元间隔影响光束质量的结论外；还得出占空比也会影响光束质量的结论,并推论出:若要获得M2<1.1的合成光束,必须确保光谱占空比小于0.7。

3.2 实验研究进展

在理论分析的同时,Liu等采用单、双闪耀光栅结构(见图7),率先开展了谱合成影响光束质量的对比实验,在两路功率均为30 W的情况下,对于单光栅系统,测得M2=11；而对于双光栅系统,测得M2=2.0,表明双光栅的使用显著改善了光束质量。

由于该实验所用光源为商用激光器,谱线较宽,为验证线宽对双光栅系统合成光束质量的影响,P.M等人采用双MLD光栅(1740 lp/mm)系统,在光栅间距为34 cm的情况下,进行两路功率为115 W、线宽为0.15 nm(40 GHz)谱合成实验,获得了功率为190W,M2=1.18的实验结果,该结果与其推导的理论结果高度吻合。

上述实验虽然验证了双光栅方案改善光束质量的有效性,但合成功率仅为百瓦量级。为验证KW、乃至10 kW量级的合成效果。文献[25]采用单路功率大于1 kW、光束质量因子均小于1.6的10路激光进行相关实验,如图9所示。

图9 9.6 kW 光谱合成示意图

其合成过程为:首先,将10路不同中心波长的光束进行准直；其次,使用多个棱镜对准直后的光束进行谱合成；第三,使用偏振镜P1将合成后的光束分为p、s两束偏振光；并对其适当扩展；第四,将s光注入双MLD光栅单元进行共孔径谱合成；第五,将p光通过90°石英旋光片旋转为s光,注入双MLD光栅进行谱合成,然后再通过90°石英旋光片将合成后的s光旋转为p光；最后通过偏振镜P2、实现两组激光的共孔径合成输出。通过上述过程,获得了最大输出功率为9.6 kW,M2=2.9激光输出。由此表明在高功率条件下,该方案仍能有效保持光束质量。

4 抑制光栅热变形改善光束质量的研究进展

4.1 理论和实验的研究进展

上述已提到,光栅热变形会影响光束质量。针对该问题,文献[26]在将反射体布拉格光栅(VBG)的热变形视为“正透镜”的情况下开展研究。即当子光束透射时,将光栅视为一个凸透镜；而当子光束反射时,将光栅视为一个凸面镜,如图10所示。采用有限元与SIMPLE算法相结合的方法,得到了该模型下,光栅厚度、空间周期、折射率等随横向温度梯度的变化规律。

图10 VBG热形变示意图

进一步,使用一个聚焦透镜,观测了光束经光栅透射和衍射的聚焦情况:对于不同功率的透射光束,经聚焦透镜后,其焦点位置随着功率的增大逐渐增大；而对于衍射光束,当功率大于650 W后；其焦点位置移动反而下降,如图11所示。表明基于“正透镜”模型分析光束质量变化构思的正确性。

图11 焦点位移随功率的变化

运用正透镜模型,文献[27]研究了高功率谱合成时MLD光栅的热形变情况,得到光强为2 kW/cm2下光栅热变形的分布如图12所示。可以看出:浮雕层、介电薄膜层的变形依据高斯光强分布而发生变形,且浮雕层的形变略大于介电薄膜层的变形。以此为基础,运用光线追迹法,得到了不同功率密度下、合成光束束宽随传播距离的变化曲线如图13所示。其中,功率密度分别为1 kW/cm2、2 kW/cm2、3 kW/cm2时,得到的M2为 2.30、4.42、6.48。

图12 浮雕层和电介质薄膜的形变

图13 光束宽度随距离的变化

针对热变形导致光束质量下降问题,Drachenberg等人提出了一种热调谐改善的方案,如图14所示。

图14 热调谐VBG结构

其工作原理为:在VBG四周加入热电冷却器,并将其固定在水冷板上。该热电冷却器可在5～90 ℃内对光栅进行调谐。首先,使用热电冷却器将光栅的温度提升到最大值；然后,当高功率入射光辐照光栅、导致光栅热膨胀时,使用热电冷却器降低光栅边沿温度,从而确保衍射与透射光束高度重叠。采用该方法,经光栅作用后光束较单路入射光束的质量没有明显改变,如表1所示。

表1 不同温度下VBG的衍射光束M2

4.2 本团队工作

上述结果是在特定时间条件下所得出的结论。然而,光栅热变形是一个动态过程,由此导致光束质量变化也是一个动态过程。针对该问题,本团队运用上述模型,研究了不同辐照时间下、闪耀光栅的热变形情况。得到了同一功率密度、不同时刻光栅浮雕层的变形结果如图15所示。可以看出:随着辐照时间的增加,光栅的变形随之增大。在假设入射光束为基膜高斯光束的情况下,依据该变形结果,仿真得到M2的变化如图16所示,假设光栅无变形时的M2=1；在辐照时间为10 s、30 s、60 s时,M2分别为1.16、1.30、1.56。

图15 不同辐照时间下光栅浮雕层的形变

(a)without deformation

进一步,采用如图17所示的实验装置。泵浦采用中心波长为976 nm的激光二极管,光纤为长度为7.3 m的 SM-EYDF-6/125-xp。闪耀光栅 (1200 lp/mm)对波长为1500～1600 nm的非偏振光的衍射效率不低于69 %。利用光束分析仪(型号:BP209-IR)和软件测量系统(型号:M2MS,Thorlabs beam 6.0)检测输出激光的光束轮廓并分析光束质量。

图17 光栅热变形实验装置

实验获得了M2时间的变化如图18所示,其中,辐照功率为30 W、辐照时间分别为30 s、60 s、120 s时,测得的M2为1.17、1.22、1.26。实验与理论分析结果基本吻合。

(a)30 s

5 结 论

基于高功率光纤激光谱合成光束质量的研究现状,本文在归类其实现手段的基础上,总结出3种改善光束质量的方法:即窄线宽法,双光栅色散补偿法,以及抑制光栅热变形法。详细介绍了各种方法改善光束质量的设计构思与技巧,并展示了在这些设计构思下、光束质量改善的进展。基于这些研究成果,分析了光束质量改善过程中,3种提升光束质量方法存在的限制条件、以及今后改善的方向。通过分析,不难发现,获取高功率、窄线宽输出激光是实现高合成光束质量的前提和保证；以此为基础,利用双光栅色散补偿、抑制光栅热变形是确保光束质量改善的重要辅助手段。针对光栅热变形导致光束质量劣化的动态问题,本文还详细介绍了我们团队最新的理论和实验研究情况。依据该研究结果,下一步,我们将开展抑制光栅热变形的相关理论和实验研究。