兩路固體激光相干合成的實驗研究＊

楊 卓，程 勇，陳 霞，盧常勇，劉秉琦

（1.軍械工程學院 光學與電子工程系，河北 石家莊 050003；2.武漢軍械士官學校 光電技術研究所，湖北 武漢 430075）

引 言

相干合成技術是指激光器采用多模塊結構，控制各單元（孔徑）激光器輸出光束的相位達到鎖相輸出［1］。作為實現(xiàn)高功率、高光束質量和高可靠性激光輸出的有效途徑之一，相干合成技術已成為國內(nèi)外高能激光領域的研究熱點。

目前研究多集中于光束的相位鎖定即實現(xiàn)相干的方法上［2－6］，對相干組束的特性研究較少。然而，光束的遠場光強分布體現(xiàn)了能量的集中程度，對實際工程應用非常重要。文獻［7］研究了占空比對光纖激光器自成像相干組束的遠場光強分布的影響，文獻［8］理論模擬了光纖激光器在高階模式的遠場相干條紋的峰值功率和條紋對比度，文獻［9］詳細研究了陣列占空比、陣元個數(shù)以及陣元的相位誤差對相干合成遠場圖樣分布、中心主瓣的寬度及所占能量的影響。

文中基于互注入鎖相相干合成理論，提出了實現(xiàn)兩路固體激光相位鎖定的新方案，并對激光束的間距和激光棒的尺寸對干涉條紋的影響開展了實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)，占空比和高階模是影響干涉圖樣的主要因素。

1 實驗裝置與原理

采用角錐棱鏡實現(xiàn)兩路固體激光互注入相干合成的實驗方案如圖1所示。角錐棱鏡和平面輸出鏡構成諧振腔，兩個相同的Nd∶YAG介質激光棒直徑5mm，兩端鍍1 064nm增透膜，側面磨毛。采用LD1和LD2的808nm激光二極管均勻側面抽運，抽運脈寬250μs，重復頻率1Hz。在輸出鏡M1和Nd∶YAG圓棒之間插入小孔光闌。全反鏡M3和全反射棱鏡L2構成轉折系統(tǒng)，可控制兩光束之間的距離。通過放置CCD于透鏡L3焦平面上來觀察兩路激光的遠場分布。

圖1 兩路固體激光器相干合成實驗結構圖Fig.1 Schematic of phase－locked two lasers

角錐棱鏡是該方案的核心器件。兩束激光通過角錐棱鏡后，兩兩相互注入，實現(xiàn)互注入鎖相。研究人員THORNBURG、FABINY和TERRY等分別解釋了互注入相干合成的原理，給出了單模運轉下，各激光器光場和增益緩變方程［10－12］：

其中E為激光器內(nèi)的光場，G為增益系數(shù)，a為衰減系數(shù)，κ為兩個激光器光場之間的耦合系數(shù)，p為抽運系數(shù)，ω為激光器的運轉頻率，τc為光子在諧振腔內(nèi)往返一次所需的時間，τf為上能級粒子的自發(fā)輻射壽命。

在實驗中，由于兩路激光器所采用的抽運源、增益介質等元件的參數(shù)幾乎完全相同，可認為兩路激光器的抽運系數(shù)、增益系數(shù)、衰減系數(shù)和光強振幅都相等。令Ei＝Xiexp（iφi），i＝1，2。則有X1＝X2，G1＝G2。式（1）～式（4）化簡可得

當Δω滿足Δω≤2κτ－1c時，兩路激光器的相位才能隨時間變化收斂于一個固定值（0，π或－π）實現(xiàn)兩路激光器的相位鎖定。由于實際中初始相位差為0一般難于滿足，所以一般相位差收斂到π，輸出為異相模。

2 實驗結果與分析

2.1 兩路激光器相干合成遠場分布

采用一個焦距1m的正透鏡將兩路激光進行聚焦，由衍射理論可知，其焦點光強分布與激光合成輸出的遠場分布相似，只是大小比例縮小。利用Spiricon公司的LBA－FW－SCOR20型激光光斑分析儀測量兩路激光合成后的光強分布。首先用平面全反鏡擋在角錐棱鏡前，觀察平平腔兩路激光合成的遠場分布：能量成高斯分布，如圖2所示；然后撤走平面全反鏡，使用角錐棱鏡實現(xiàn)能量相互注入，觀察角錐腔兩路激光合成的遠場分布：遠場的干涉條紋非常清晰，為一典型的異相模分布，如圖3所示。由實驗與理論對比可知，兩臺原本各自獨立工作的激光器通過能量的相互注入，使它們之間的振蕩模式相互關聯(lián)，相互影響，從而達到共同的工作狀態(tài)，實現(xiàn)了鎖相輸出。

圖2 平平腔兩路激光遠場分布Fig.2 Far－field intensity profile of the two beams from PP resonator

圖3 角錐腔兩路激光遠場分布Fig.3 Far－field intensity profile of the two beams from CCR resonator

2.2 占空比對干涉圖樣的影響

選用直徑1mm的小孔光闌使兩束激光呈基模輸出。兩路激光出射時的間距為20mm，光束直徑約為1mm，通過增大全反射棱鏡L2和反射鏡M3之間的距離可以將出射激光束的間距變小，從而增大占空比。試驗中光束間距不同時的遠場分布如圖4所示，其中圖4（a）、圖4（b）和圖4（c）分別是間距為20mm、10mm和5mm時觀察到的相干合成后的光斑圖樣和光強分布圖。從圖中可以看出，隨著間距的減小，占空比增大，相干合成后的光斑數(shù)量減少，光斑的寬度增大，光強分布也也發(fā)生了變化，相干度明顯提高。

圖4 光束間距不同時的遠場分布Fig.4 Far－field intensity profiles of the two beams of different space duty

2.3 高階模對干涉圖樣的影響

保持兩路激光出射間距為20mm時，通過增大小孔光闌的直徑可以輸出更多的模式。圖5（a）～（f）分別是不同直徑下的相干合成后的光斑圖樣和光強分布，光闌直徑D分別為5mm、4.1mm、3.3mm、2.6mm、2.2mm、1mm。在相同泵浦的條件下，合成功率分別為290mJ、220mJ、156mJ、113mJ、77mJ、28mJ。從圖5（a）～（f）中可以看出，在光闌直徑較大時遠場沒有相干的跡象，隨著光闌直徑減小，相干度不斷增大。而由合成功率的變化可以看出，隨著光闌減小，輸出功率不斷減小。由于高階模內(nèi)部存在0～π相位差，當存在高階模時，光束質量較差［13］，但激光器工作在高階模時可以得到更高的功率。

圖5 出射光束直徑不同時的遠場分布Fig.5 Far－field intensity profiles of the two beams with different diameters

3 結 論

利用角錐的后向反射特性，實現(xiàn)了兩路固體激光的相位鎖定，并且能在遠場形成清晰穩(wěn)定的相干圖樣。通過對占空比和高階模對干涉條紋的影響的研究，可以發(fā)現(xiàn)，隨著激光光束間距的減小，占空比的增大，相干合成后的光斑數(shù)量減少，光斑的寬度增大，相干度則明顯提高；隨著出射光束直徑的增大，光束質量變差但合成功率增大。因此，在固體激光相干合成中，應盡量提高占空比來提高能量集中度，選用適中的激光棒尺寸來保證光束質量和輸出功率。研究工作對固體相干合成具有一定的參考價值和指導意義。

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