被動(dòng)相干合成技術(shù)

姜玲玲, 吳先友

(1 安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院, 安徽 合肥 230601;2 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院醫(yī)學(xué)物理與技術(shù)中心, 安徽 合肥 230031)

1 引 言

隨著激光技術(shù)的飛速發(fā)展,高能激光光源在多個(gè)領(lǐng)域均占有一席之地(如激光雷達(dá)、自由空間通訊、工業(yè)加工等),但是單臺(tái)激光器受到一些物理因素(如光學(xué)元件的損傷閾值、工作物質(zhì)的熱效應(yīng)和光柵尺寸等)的限制,其輸出能量(功率)有限,并且隨著激光輸出能量的提高,光束質(zhì)量會(huì)變差[1,2]。因此單純地依靠單一激光器輸出具有一定質(zhì)量的高能激光光束遇到了很多短期看來不可克服的困難。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科研人員通過多路耦合、串聯(lián)等技術(shù)手段來提高單臺(tái)激光器的輸出能量未果。

在此背景下提出的光束相干合成(Coherent beam combination)技術(shù)，其基本思想是：將若干束性質(zhì)相同的光束經(jīng)過相位控制后在空間交疊的區(qū)域產(chǎn)生相干疊加,合成一束光進(jìn)行輸出，這就使得遠(yuǎn)場(chǎng)光斑信息發(fā)生變化以及光強(qiáng)重新排布。高效率光束相干合成的基本要求是合成陣列中的單臺(tái)激光器幾乎完全相同,這樣才能實(shí)現(xiàn)相長干涉。若沒有滿足這個(gè)要求,則會(huì)使系統(tǒng)合成效率受損[3]。利用相干合成技術(shù)能夠有效地緩解單個(gè)激光介質(zhì)隨著抽運(yùn)功率的提高而產(chǎn)生的熱效應(yīng)，在獲得高功率、高亮度的同時(shí)保持光束質(zhì)量，因此相干合成技術(shù)在高能激光領(lǐng)域有非常重要的研究意義和應(yīng)用前景。激光器問世不久后，科研人員就展開了對(duì)相干合成技術(shù)的研究[4]，經(jīng)過幾十年的發(fā)展,光束的相干合成技術(shù)已經(jīng)成為激光輸出功率和輸出亮度可擴(kuò)展的重要手段[5～7]。

相干合成的技術(shù)方案按是否通過外界手段來干預(yù)探測(cè)并校正相位誤差,可分為主動(dòng)相干合成技術(shù)(主動(dòng)有源鎖相相干合成技術(shù))和被動(dòng)相干合成技術(shù)(被動(dòng)無源鎖相相干合成技術(shù))兩大類[8,9]。主動(dòng)相干合成技術(shù)如并聯(lián)主功率放大(MOPA)[10,11]等實(shí)現(xiàn)相干合成的過程及原理為:將種子源激光器輸出的激光束分成多束,經(jīng)過聲光移頻器后提取其中一束作為參考光,利用放大器對(duì)每路光束進(jìn)行放大,相位調(diào)制器對(duì)輸出光束和參考光束之間的相位差進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)并加以校正,從而達(dá)到相位鎖定的目的,實(shí)現(xiàn)多路激光器的相干合成?；贛OPA 結(jié)構(gòu)的相干合成裝置中,除了種子源激光器、功率放大器、聲光移頻器和相位調(diào)制器等,還需要一系列對(duì)光路進(jìn)行調(diào)整的光學(xué)元件(透鏡和分束器)。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是容易受到振動(dòng)、彎曲、溫度等因素的影響而發(fā)生相位改變,所以系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差[12]。

相比之下,被動(dòng)相干合成技術(shù)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好備受科研人員的青睞。目前,研究人員提出并證實(shí)的合成結(jié)構(gòu)有:基于全光纖結(jié)構(gòu)的相干合成[13～16]、基于多芯光纖的相干合成[17,18]、基于自成像外腔結(jié)構(gòu)的相干合成[19～25]以及基于環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的相干合成[26]等。各研究機(jī)構(gòu)也先后提出眾多的合成方案并加以證實(shí)[27～29]。本文對(duì)典型的被動(dòng)相干合成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和總結(jié)。

2 典型的被動(dòng)相干合成方案

2.1 全光纖結(jié)構(gòu)的相干合成結(jié)構(gòu)

全光纖相干合成結(jié)構(gòu)的合成原理是:抽運(yùn)光通過波分復(fù)用器進(jìn)入每根摻雜光纖,耦合器將各個(gè)光纖激光器的輸出能量耦合到一根光纖中進(jìn)行輸出,基于系統(tǒng)的自組織特性在耦合器中實(shí)現(xiàn)相位鎖定。Sabourdy 等[15]將2 根和4 根光纖利用此方法進(jìn)行相干合成,分別實(shí)現(xiàn)了79 mW 和152 mW 的相干合成輸出,合成效率分別為99%和95%。Fig.1 為Sabourdy 等利用4 根光纖利用全光纖相干合成結(jié)構(gòu)進(jìn)行相干合成的實(shí)驗(yàn)裝置圖。2009 年,Wang 等[16]利用此方法實(shí)現(xiàn)了50 W 的被動(dòng)相干合成輸出,合成效率為92.8%。

2.2 多芯光纖的相干合成結(jié)構(gòu)

多芯光纖的制作機(jī)理是將多個(gè)相同的光纖以圓形陣列或方形陣列集中在同一個(gè)包層內(nèi)。Fig.2 為多芯光纖結(jié)構(gòu)的截面圖?；诙嘈竟饫w結(jié)構(gòu)的相干合成技術(shù)的相位鎖定原理是:當(dāng)抽運(yùn)光在內(nèi)包層內(nèi)傳輸?shù)耐瑫r(shí)也會(huì)對(duì)光纖陣列進(jìn)行抽運(yùn),纖芯之間的距離可達(dá)微米量級(jí),一個(gè)光纖的振蕩模式會(huì)影響其余光纖的振蕩模式,從而各個(gè)光纖的振蕩模式會(huì)相互關(guān)聯(lián),在傳輸過程中,光纖陣列之間通過倏逝波實(shí)現(xiàn)耦合,從而達(dá)到鎖相的目的。在利用該方案進(jìn)行相干合成時(shí),面臨的難點(diǎn)在于多芯光纖的制作以及熱效應(yīng)(輸出功率高時(shí))。

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場(chǎng)如Fig.3 所示。

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

在M1處的光場(chǎng)為E(x,y),光傳播到傅里葉透鏡L 處時(shí),可由菲涅爾-基爾霍夫公式推導(dǎo)出此處的光場(chǎng)為[30]

式中f 為L 的焦距。經(jīng)過透鏡L 后光場(chǎng)分布為

腔鏡M2的光場(chǎng)為

由(3)式可知,M1腔鏡處的光場(chǎng)E(x,y)經(jīng)過傅里葉變換后成為M2腔鏡處的光場(chǎng)G(X,Y)。也就是說,光場(chǎng)E(x,y)在遠(yuǎn)場(chǎng)的分布為光場(chǎng)G(X,Y)。

2.3.2 自傅里葉外腔相干合成

基于傅里葉腔結(jié)構(gòu)的相干合成方案[19～21]屬于外腔相干合成技術(shù),它基于遠(yuǎn)場(chǎng)夫瑯禾費(fèi)衍射原理將衍射光斑信息反饋到激光器合成陣列[30]，實(shí)現(xiàn)了合成陣列單元之間的相互注入，達(dá)到了相位鎖定的目的。此外，激光經(jīng)過外腔往返一次，光場(chǎng)完成一次傅里葉變換。為了保證光纖激光器陣列產(chǎn)生的光學(xué)圖樣和經(jīng)過一次往返后的光學(xué)圖樣一致,則光纖激光器陣列纖芯之間的距離可表示為[31]

式中傅里葉透鏡的焦距f =2F, F 是透鏡的全程焦距,a 是纖芯半徑。因此,只要合理地設(shè)計(jì)光纖激光器的輸入結(jié)構(gòu), 就可以使輸入光學(xué)圖樣和經(jīng)過外腔往返后的光學(xué)圖樣一致。Fig.4 為改進(jìn)后的傅里葉外腔結(jié)構(gòu)裝置圖。

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

2.3.3 自成像腔結(jié)構(gòu)的相干合成技術(shù)

自成像腔相干合成技術(shù)[22,23]的原理是利用空間濾波器和輸出耦合器構(gòu)成外腔,實(shí)現(xiàn)多路激光器的自組織鎖相輸出。Fig.5 為自成像腔相干合成技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。準(zhǔn)直鏡L1和L2放置在傅里葉透鏡L的前焦面,輸出耦合鏡M3放置在傅里葉透鏡L 的后焦面,激光陣列輸出光場(chǎng)在腔內(nèi)往返一次正好產(chǎn)生自己的像。在輸出耦合鏡M3上放置一個(gè)空間濾波器的作用是濾除相位不一致的模式,將相位相同的模式進(jìn)行反饋[31]。因此,相位相同的模式可以在激光腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)振蕩,得到自組織鎖相輸出。文獻(xiàn)[12]中提到利用自成像腔實(shí)現(xiàn)兩路光纖激光器的相位鎖定,輸出能量大于2 W。

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

2.4 基于環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的相干合成技術(shù)

基于環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的相干合成技術(shù)主要應(yīng)用于光纖激光器。Fig.6 為環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。在光反饋環(huán)形腔中的N 路光纖經(jīng)過放大器放大后,通過準(zhǔn)直器進(jìn)入分束器。在分束器的作用下,小部分激光經(jīng)反射通過傅里葉透鏡聚焦耦合進(jìn)入單模反饋光纖,另一部分光作為整個(gè)相干合成系統(tǒng)的輸出[31]。在這個(gè)系統(tǒng)中,單模反饋光纖起到了空間濾波作用,其選擇相位相同的模式進(jìn)入反饋回路。單模光纖提供的反饋信號(hào)通過分束器進(jìn)入各路光纖放大器,并作為種子激光進(jìn)行放大。因?yàn)榉N子光和光纖放大器的輸出特性有關(guān),而種子光是由整個(gè)合成系統(tǒng)的一部分輸出光經(jīng)單模反饋光纖形成的,所以每一路光纖放大器的輸出特性與其他路的光纖放大器有關(guān),從而實(shí)現(xiàn)了光反饋環(huán)形腔相干合成輸出。在這個(gè)系統(tǒng)中,相位不同的模式則被單模反饋光纖濾除。2013 年,He 等[26]利用復(fù)合型環(huán)形腔結(jié)構(gòu)對(duì)8 路光纖激光器進(jìn)行相干合成,實(shí)現(xiàn)了1066 W 的輸出。

Fig.6 Schematic diagram of ring resonator [26]

2.5 固體激光器的相干合成研究進(jìn)展

激光相干合成技術(shù)最先應(yīng)用于固體激光器和半導(dǎo)體激光器,隨后又應(yīng)用到光纖激光器中。國內(nèi)外關(guān)于相干合成技術(shù)的研究在光纖激光器領(lǐng)域較為廣泛,對(duì)固體激光器的相干合成研究較少,其在固體激光器領(lǐng)域多基于系統(tǒng)的自組織和各激光器之間的能量相互注入實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的相位鎖定。2012 年,Li 等[32]利用偏振元件將兩路獨(dú)立的Nd:YAG 激光器相互關(guān)聯(lián),獲得了4.4 W 的部分相干激光輸出。2018 年,Zhao等[33]利用邁克爾遜腔型實(shí)現(xiàn)了三路Nd:YAG 激光器的相干合成, 相應(yīng)的輸出功率為124.4 W,合成效率為66.7%。

最近,本課題組基于能量相互注入和自組織原理實(shí)現(xiàn)了兩路Nd:YAG 激光器的相干合成,相干合成后的輸出能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光器獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的輸出能量,合成后的亮度也得以大大提高。另外,系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好、自組織性強(qiáng)。

3 評(píng)價(jià)參數(shù)-光亮度及合成效率

上述方案輸出后的關(guān)鍵參數(shù)是能量和光束質(zhì)量,也可以用光亮度來表示[7]。光亮度可表示為

式中P 為輸出功率;λ 為工作波長; M2為光束質(zhì)量;C 是一個(gè)常數(shù),其取決于光束的定義和發(fā)散角,對(duì)于高斯光束,C = 1。2007 年,Lei 等[34]采用六鏡腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行相干合成,合成后的亮度為12.66k, 其中k=1/λ2。

為了對(duì)合成效率的高低進(jìn)行評(píng)價(jià),引入一個(gè)參數(shù)η 代表合成效率,其可表示為

式中P 為系統(tǒng)合成后的輸出功率,PN為系統(tǒng)中參與相干合成的激光器獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的輸出功率。近年來,被動(dòng)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]報(bào)道了基于全光纖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)光纖耦合器與光纖激光器的相干相加;Ref.[35]提到:首次利用兩種自適應(yīng)增益光柵全息激光諧振腔的組合方案實(shí)現(xiàn)了相位共軛自組織相干光束組合;Ref.[36]報(bào)道了相位共軛自組織相干光束組合的新技術(shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,由于相位共軛自適應(yīng)激光器的光譜模態(tài)自由,可實(shí)現(xiàn)多種高質(zhì)量激光器的有效“全無源”組合; Ref.[37]報(bào)道了一種基于環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的全光纖多通道脈沖激光器的自組織無源相干光束組合;Ref.[38]報(bào)道了一種基于角立方反射器(Corner cube reflector)實(shí)現(xiàn)光纖激光器之間相互注入和相位鎖定的方法;Ref.[33]提出了一種改進(jìn)光束質(zhì)量的同軸多光束無源相干組合,并利用級(jí)聯(lián)邁克爾遜型腔進(jìn)行了驗(yàn)證。從報(bào)道的文獻(xiàn)中可以知道,被證實(shí)方案基于系統(tǒng)的自組織特性實(shí)現(xiàn)單元激光器之間的相位鎖定,但由于方案本身存在的局限性,并不能實(shí)現(xiàn)100%的合成效率。被動(dòng)相位控制相干合成還在系統(tǒng)復(fù)雜度、激光數(shù)目、合成效率等參數(shù)方面尋求平衡的過程中[4]。

4 結(jié) 論

隨著激光加工、自由空間通訊、光電對(duì)抗等領(lǐng)域?qū)Ω吣芗す庀到y(tǒng)的需求,相干合成技術(shù)也得到迅速的發(fā)展。特別是,近年來隨著光纖激光器的問世,相繼提出并證實(shí)了眾多的合成結(jié)構(gòu),相干合成技術(shù)也朝著高輸出功率水平、高重復(fù)頻率、任意波段的方向發(fā)展。雖然各種被動(dòng)合成結(jié)構(gòu)存在自身無法避免的缺點(diǎn),但不可否認(rèn)的是,被動(dòng)相干合成技術(shù)已經(jīng)成為功率、亮度可擴(kuò)展的一種重要手段。