高功率光纖激光空間拼接的研究進(jìn)展

付 翔,鄧志峰,查申龍,汪 燕,吳順風(fēng),占生寶

(1.滁州學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院,安徽 滁州 239000;2.安慶師范大學(xué)電子工程與智能制造學(xué)院,安徽 安慶 246133)

1 引 言

光纖激光器由于其高效的轉(zhuǎn)換效率、便捷的熱管理方式、以及良好的光束質(zhì)量,多年來(lái)一直是激光技術(shù)領(lǐng)域經(jīng)久不衰的研究課題。然而,由于受光學(xué)熱損傷,非線(xiàn)性、光學(xué)熱透鏡效應(yīng)限制[1],單個(gè)光纖激光器的輸出功率還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足高功率應(yīng)用需求。為實(shí)現(xiàn)高能量激光輸出,多種光纖激光合成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,并逐漸形成相干與非相干兩類(lèi)合成方案。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低,非相干合成方案一直是人們的研究熱點(diǎn)[2]。

非相干合成包括譜合成和空間光束拼接兩種類(lèi)型。對(duì)于譜合成,其合成原理、研究進(jìn)展等,相關(guān)文獻(xiàn)已進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道[3-4]；而對(duì)于空間光束拼接,其研究結(jié)果雖有報(bào)道,但并沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)這些研究方法進(jìn)行歸類(lèi)、也沒(méi)有對(duì)其中的差異進(jìn)行闡明。鑒于上述情況,本文在詳細(xì)總結(jié)各類(lèi)空間拼接方案的基礎(chǔ)上,歸納了各類(lèi)實(shí)現(xiàn)方案所采用的相關(guān)技術(shù),并展示了這些拼接方案的獨(dú)有特色。

2 利用轉(zhuǎn)向鏡的拼接方案

該方案首先由美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)的Sprangle等人提出,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中,光纖激光陣列發(fā)出的光束首先經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直,而后通過(guò)獨(dú)立控制的反射鏡將各光束指向靶標(biāo)。需要強(qiáng)調(diào)的是,該反射鏡是一種具有自適應(yīng)光學(xué)功能的特殊反射鏡,能通過(guò)波前探測(cè)獲得波前斜率的變化,再經(jīng)相關(guān)算法得到波前相位；而后由相關(guān)控制系統(tǒng)、將該相位反饋于波前校正器,最后控制反射鏡各子模塊利用該相位信息實(shí)現(xiàn)畸變波前的補(bǔ)償。為最小化光束傳輸中出現(xiàn)的衍射擴(kuò)展問(wèn)題,他們?cè)诖_保光束傳輸?shù)桨袠?biāo)的距離小于兩倍瑞利長(zhǎng)度的情況下,采用光束擴(kuò)展器(該擴(kuò)展器由凹、凸透鏡合成而得)將單個(gè)陣元的初始光斑擴(kuò)大到一定尺寸,從而減小光束傳輸中的衍射擴(kuò)展。對(duì)于由反射鏡構(gòu)成的光束定向器,他們的設(shè)計(jì)思路為:在假定單個(gè)陣元的衍射光斑半徑為R的情況下,將準(zhǔn)直鏡的半徑設(shè)計(jì)為Rc=1.2R,由此得到光束定向器的尺寸為a=N1/2Rc。圖1的插入部分顯示了七路光纖陣元組成的六邊形陣列定向器結(jié)構(gòu)。

圖1 基于轉(zhuǎn)向鏡合成方案示意圖

對(duì)于該設(shè)計(jì)方案,Sprangle等運(yùn)用高斯光學(xué)理論,在49陣元方形陣列、每個(gè)陣元激光功率為2.5 kW、光斑半徑為4 cm、輸出波長(zhǎng)λ=1.075 μm、輸出總功率為123 kW的情況下,對(duì)光束拼接效果進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明,在傳輸距離為5 km的靶面處,該方案可實(shí)現(xiàn)合成功率為100 kW、光斑大小為100 cm2、光束質(zhì)量因子為M2=1.1的拼接光束。此外,在NRL的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中,他們對(duì)4路3 kW量級(jí)的光纖激光進(jìn)行空間拼接。在中等強(qiáng)度大氣湍流環(huán)境下,當(dāng)合成光束傳輸至到1.2 km靶面處,獲得了高于90 %的傳輸效率。爾后,NRL的研究人員使用4路光纖激光在星火靶場(chǎng)進(jìn)行了打靶實(shí)驗(yàn),當(dāng)傳輸距離達(dá)到3.2 km時(shí),拼接光斑直徑約為10 cm,靶標(biāo)接收的總功率約為5 kW,實(shí)驗(yàn)與理論分析結(jié)果基本吻合。

在進(jìn)行上述拼接分析和實(shí)驗(yàn)的同時(shí),Sprangle等還對(duì)空間拼接與相干合成的效果進(jìn)行了比較,認(rèn)為相干合成光束傳輸至5 km目標(biāo)時(shí)、能量集中度遠(yuǎn)不及空間拼接效果。對(duì)于該結(jié)論,國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的周樸等人提出了質(zhì)疑[5],認(rèn)為其計(jì)算結(jié)果是在兩種方案的激光陣列發(fā)射口徑不對(duì)等、發(fā)射方式不一致的條件下得出的。為研判這兩種方案的實(shí)際效果,周樸等運(yùn)用共形發(fā)射體制、以桶中功率為標(biāo)準(zhǔn),在19路光纖激光器排布兩圈,每個(gè)陣元激光功率為10 kW、光斑半徑為4 cm、波長(zhǎng)λ=1 μm、輸出總功率為190 kW、總發(fā)射口徑D=40 cm的情況下,對(duì)其能量傳輸效果進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn):在10 km內(nèi),無(wú)論是在自由空間、還是湍流環(huán)境中,空間拼接光束的傳輸效率都不高于相干合成光束的傳輸效率。

(a)光束拼接

(b)相干合成

前述已經(jīng)提到,在光束空間拼接運(yùn)用了一種光束指向優(yōu)化技術(shù)。該技術(shù)具有克服裝配誤差、系統(tǒng)震顫以及湍流效應(yīng)等影響空間拼接效果問(wèn)題的能力,其原理是通過(guò)控制元器件內(nèi)部屬性、以及姿態(tài)的變化來(lái)獲得各路光束傾斜相位變化,以此作為目標(biāo)函數(shù),通過(guò)其優(yōu)化實(shí)現(xiàn)拼接光束指向精度的提升[6]?，F(xiàn)行的光束指向優(yōu)化技術(shù)中最常用的控制系統(tǒng)包括自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器(AFOC)[7]、快速轉(zhuǎn)向鏡(FSM)[8]兩類(lèi)。

AFOC控制光束指向方案首先由美國(guó)的Vorontsov 團(tuán)隊(duì)提出[9],隨后,中科院自適應(yīng)光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始了該器件的研制工作[9-10]。其具體研制思路是:采用SPGD算法作為傾斜控制策略,以遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的桶中功率 (PIB) 作為評(píng)價(jià)函數(shù),使PIB 最大化,從而間接地校正了激光陣元間的傾斜差[11-12]。2013年,Geng等在輸出總功率為1.5 kW的四陣元光纖激光空間拼接實(shí)驗(yàn)中,對(duì)該器件的指向效果進(jìn)行了驗(yàn)證[11]。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。圖中,四元AFOC以方形排列,相鄰光束之間的距離為84 mm,從陣列發(fā)射的準(zhǔn)直輸出光束由焦距為2 m的透鏡聚焦。AR代表反-反射鏡,BS代表分光鏡,AR1將主要的激光能量導(dǎo)入功率探測(cè)器,來(lái)自AR1和AR2的反射光束被BS分成兩部分,一部分送入顯微鏡和CCD相機(jī)觀察。另一部分由高速CMOS攝像機(jī)檢測(cè),將反饋數(shù)據(jù)提供至控制單元,從而控制光束指向。實(shí)驗(yàn)中,在總輸出功率為1.5 kW的情況下,歸一化PIB的平均值從開(kāi)環(huán)時(shí)的0.171增加到閉環(huán)時(shí)的0.798,且四束不同的激光束在遠(yuǎn)場(chǎng)能很好地重疊。

圖3 AFOC控制激光合成系統(tǒng)示意圖

對(duì)于運(yùn)用快速轉(zhuǎn)向鏡(FSM)控制光束指向方案,其最早由NRL的Wilcox等人提出[13]。 2017年,Yang等人在四路光纖激光拼接實(shí)驗(yàn)中[14],利用FSM進(jìn)行了指向優(yōu)化效果的驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)的SPGD算法作為光束指向控制算法,運(yùn)用模式識(shí)別檢測(cè)算法的局部極值,利用“附加移動(dòng)”方法跳出局部極值,由此克服了當(dāng)算法陷入局部極值時(shí)影響拼接收斂速度的問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4中,FSM代表快速轉(zhuǎn)向鏡、BS代表分光鏡、M1和M2是傳統(tǒng)反射鏡、PH代表相位板,以相位板不同的旋轉(zhuǎn)速度表示不同的湍流強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中,四束激光被FSMs反射到靶標(biāo),靶標(biāo)上的光強(qiáng)分布被CCD相機(jī)獲取,控制單元對(duì)該強(qiáng)度分布進(jìn)行分析并產(chǎn)生施加到FSMs上的控制電壓,以實(shí)現(xiàn)光束指向的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,傳統(tǒng)算法校正后的PIB值約為0.6,小于使用改進(jìn)算法優(yōu)化的PIB值,且校正后的強(qiáng)度分布圖像明顯優(yōu)于校正過(guò)程開(kāi)始時(shí)的強(qiáng)度分布,改進(jìn)的算法可以有效提高傳輸效率。在此基礎(chǔ)上,他們還將動(dòng)量法與SPGD算法結(jié)合并應(yīng)用于光束拼接實(shí)驗(yàn),以動(dòng)量法作為梯度的更新規(guī)則,不僅加快了迭代速度,而且保持了光束拼接過(guò)程的穩(wěn)定性。在四束激光拼接實(shí)驗(yàn)中采用了該算法,結(jié)果表明,動(dòng)量隨機(jī)梯度并行下降算法在光束拼接領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景,是傳統(tǒng)SPGD算法的良好替代。

圖4 轉(zhuǎn)向鏡控制激光的拼接實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 利用合束器的拼接方案

除運(yùn)用轉(zhuǎn)向鏡進(jìn)行空間拼接外,利用功率合束器進(jìn)行光束拼接也是一種有效方案[15],如圖5所示。合束器的制作流程如下[16]:首先,對(duì)輸入光纖進(jìn)行組束,使其呈緊密對(duì)稱(chēng)的排列,排列方式根據(jù)組束光纖的數(shù)量調(diào)整；隨后對(duì)組束光纖進(jìn)行拉錐,此操作是指通過(guò)加熱組束光纖使其達(dá)到熔融狀態(tài),將光纖向兩邊拉伸,使光纖包層和纖芯直徑等比例的減?。蛔詈?當(dāng)組束光纖被拉錐到目標(biāo)直徑后,在其特定位置截取光滑平整的端面并與輸出光纖拼接。由此可以實(shí)現(xiàn)多路激光的空間拼接。分析表明:按照?qǐng)A中心對(duì)稱(chēng)的方式排列的輸入光纖能有效減少與輸出光纖拼接時(shí)的損耗,相比于其他輸入光纖數(shù)量的合束器,7 ×1合束器因其輸入光纖束排列更接近于圓形,因此更容易承受大功率的激光傳輸；在拉錐過(guò)程中,拉錐長(zhǎng)度與拉錐比例需要滿(mǎn)足絕熱拉錐和亮度守恒兩個(gè)條件。合束器作為該方案中的關(guān)鍵器件,其基本結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示,包括輸入光纖、輸出光纖和熔錐光纖束,熔錐光纖束由錐區(qū)與腰區(qū)兩部分組成。由于激光在纖芯中傳輸,因此該類(lèi)合束器的制作方法較為自由,僅需保證所有纖芯中的激光耦合進(jìn)輸出光纖即可。

(a)利用合束器拼接原理示意圖

(b)合束器的制作示意圖

2014年,德國(guó)耶拿大學(xué)運(yùn)用該方案分別制作了兩種7×1合束器進(jìn)行拼接實(shí)驗(yàn)[17-18],第一種合束器如圖6(a) 所示,在輸入光纖的包層外通過(guò)低折射率環(huán)對(duì)激光進(jìn)行約束,并在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了兩次拉錐,第一次拉錐將輸入激光拼接到纖芯直徑為100 μm 的多模光纖中,第二次拉錐使該多模光纖耦合進(jìn)纖芯直徑為50 μm的輸出光纖中。另一種合束器如圖6(b) 所示,輸入光纖沒(méi)有進(jìn)行低折射率環(huán)處理過(guò)程,直接被插入低折射率玻璃管中,只進(jìn)行一次拉錐,隨后,將輸入激光拼接到纖芯直徑為50 μm的輸出光纖中。實(shí)驗(yàn)采用這兩種合束器進(jìn)行拼接實(shí)驗(yàn),獲得了大于5 kW的拼接激光輸出,光束質(zhì)量因子分別為M2≈6.5和M2≈4.6,通過(guò)比較得出,第二種方案不論是在耦合效率還是光束質(zhì)量方面都明顯優(yōu)于第一種方案。

上述方案中,由于輸入光纖要經(jīng)過(guò)熔融拉錐才能更好的與輸出光纖拼接,但在拉錐過(guò)程中各區(qū)域的長(zhǎng)度對(duì)傳輸效率的影響還不能確定。為此,國(guó)防科技大學(xué)的Zhou等研究了在合束器制作過(guò)程中,錐區(qū)、腰區(qū)長(zhǎng)度對(duì)合束器傳輸效率的影響[19]。分析得出,在高功率情況下,為保證傳輸效率,錐區(qū)長(zhǎng)度的設(shè)置應(yīng)大于8mm,且腰區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)盡可能的短。以此為基礎(chǔ),Zhou等制作了7×1光纖合束器進(jìn)行拼接實(shí)驗(yàn),其結(jié)構(gòu)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)在摻氟玻璃管的折射率為1.43、錐區(qū)長(zhǎng)度為1 cm、輸入光纖的纖芯直徑與包層直徑分別為20和130 μm、數(shù)值孔徑分別為0.08和0.46的情況下,將光纖束逐漸變細(xì)后耦合進(jìn)纖芯直徑為50 μm、數(shù)值孔徑NA=0.22的輸出光纖中,測(cè)量各輸入端口實(shí)測(cè)功率傳輸效率均在99 %左右,光束質(zhì)量因子M2分別為6.0和6.3,與理論分析結(jié)果基本吻合。

(a)

(b)

(a)光纖合束器在接合點(diǎn)處的橫截面

(b)光纖合束器原理圖

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,為更好地描述熔錐光纖束的拉錐程度、提高合束器的傳輸效率,Zhou等提出了熔接拉錐比(STR)的概念[20]。定義STR=(Rout-R0)/(R1-R0),其中R1表示光纖的包層外接圓半徑，R0表示輸入光纖纖芯外接圓的半徑,Rout為輸出光纖纖芯的半徑,如圖8所示。圖中顯示了制作7×1合束器時(shí)的橫截面結(jié)構(gòu),由于在制作合束器的過(guò)程中光纖與光纖之間的空氣間歇會(huì)坍塌,因此熔錐光纖束的橫截面會(huì)呈梅花瓣結(jié)構(gòu)。通過(guò)仿真計(jì)算得出,STR等于100 %時(shí),最高傳輸效率約為99.7 %,且當(dāng)STR增加時(shí)光束質(zhì)量也隨之變的更好。實(shí)驗(yàn)在STR設(shè)置為50 %、摻氟玻璃管的數(shù)值孔徑為0.22、錐區(qū)長(zhǎng)度為20 cm、輸入光纖的纖芯直徑為20 μm、數(shù)值孔徑為0.08的情況下,將光纖束逐漸變細(xì)后耦合進(jìn)纖芯直徑為100 μm、數(shù)值孔徑為0.22的輸出光纖中,得到光束質(zhì)量因子M2≈10、輸出功率為6.08 kW、傳輸效率為98.9 %的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,證明該方案在高功率情況下有很好的表現(xiàn)。

圖8 光纖合束器在接合點(diǎn)處坍塌后的橫截面

為進(jìn)一步探尋該方案在高功率下的實(shí)際拼接效果,2018年,國(guó)防科技大學(xué)的Lei等人制作了7×1合束器,并基于此完成了7個(gè)1080 nm左右光纖激光的拼接實(shí)驗(yàn)[21],其結(jié)構(gòu)如圖9所示。實(shí)驗(yàn)中,為盡量減少端面后向反射,合束器以自制的石英塊頭(QBH)作為端部；為控制工作溫度的增長(zhǎng)以及錐度段和拼接部分的加熱,采用主動(dòng)水冷散熱裝置最大限度地減少加熱現(xiàn)象,保持合束器的穩(wěn)定性。在使用七個(gè)波長(zhǎng)為1080 nm的單模連續(xù)波光纖激光器、光束質(zhì)量因子M2為1.2～1.4、輸出光纖纖芯直徑為50 μm情況下,獲得了輸出功率為14.1 kW、光束質(zhì)量因子M2=5.37、總傳輸效率高于98.5%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這是目前報(bào)道的利用合束器拼接的最高輸出功率。

4 利用凹面光柵的拼接方案

利用轉(zhuǎn)向鏡進(jìn)行光束拼接方案中最大問(wèn)題是:隨著組合元素的增加,光束指向器和轉(zhuǎn)向鏡數(shù)目的增加無(wú)疑會(huì)讓系統(tǒng)更加復(fù)雜,由此導(dǎo)致光束指向難以控制。為減小系統(tǒng)的復(fù)雜度,2013年,文獻(xiàn)[22]提出了一種利用單個(gè)凹面光柵進(jìn)行空間光束拼接的構(gòu)想,該構(gòu)想的設(shè)計(jì)思路是:首先,光纖激光陣元的輸出端通過(guò)V型槽固定,各光纖陣元的中心光線(xiàn)指向光柵極點(diǎn)；其次,依據(jù)拼接位置確定的衍射角和距離,在入射激光波長(zhǎng)λ確定的情況下,利用光柵方程、焦點(diǎn)方程確定入射陣元的位置和入射角度。該構(gòu)思的設(shè)計(jì)方案如圖10所示。

圖9 非相干合成結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 基于凹面光柵的非相干合成原理圖

上述方案存在的最大問(wèn)題是光柵衍射造成的像差問(wèn)題,為此,我們團(tuán)隊(duì)對(duì)該設(shè)計(jì)方案的像差進(jìn)行了研究。在光柵曲率半徑為2 m、光柵周期為1 μm、衍射角β為30°、拼接距離為100 m、激光波長(zhǎng)為1060 nm、模場(chǎng)半徑為5 mm的情況下,獲得了經(jīng)光柵衍射后、歸一化強(qiáng)度分布的仿真結(jié)果,如圖11所示?？梢钥闯?衍射光斑呈現(xiàn)嚴(yán)重的不對(duì)稱(chēng)分布,z方向上光斑半徑達(dá)到250 mm,而y方向上光斑半徑僅為20 mm,圖像呈現(xiàn)嚴(yán)重的枕形畸變。

圖11 1060 nm光束衍射后強(qiáng)度分布圖

在衍射圖像仿真的基礎(chǔ)上,我們也對(duì)陣元波長(zhǎng)為λi=λ0+2i,i=±1,±2,…±10(λ0=1060 nm)、模場(chǎng)半徑為5 mm、距離為100 m的21陣元光纖激光的拼接效果進(jìn)行了研究,仿真結(jié)果如圖12所示。可以看出,拼接光束能夠在z軸、y軸方向很好地實(shí)現(xiàn)空間重疊。在y軸方向拼接光斑直徑約為40 mm,但在z軸方向的拼接光斑直徑約為560 mm,這是因?yàn)楣鈻旁趜軸方向上的像差值比在y軸方向上的像差值高。

為克服像差帶來(lái)的衍射圖像畸變問(wèn)題,采用迭代分析法,我們對(duì)光柵的架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)拼接距離為100 m的情況,優(yōu)化前、后所得像差結(jié)果如圖13所示。可以看出,優(yōu)化后的最大像差值小于4×10-14m-1,該數(shù)值比優(yōu)化前的像差低6個(gè)數(shù)量級(jí)。由此說(shuō)明通過(guò)光柵優(yōu)化,可使光柵的衍射圖像得到有效改善。

在理論分析基礎(chǔ)上,我們也著手進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,所搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖14所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果將另行報(bào)道。

圖12 21陣元拼接后歸一化強(qiáng)度分布圖

圖13 1060nm激光經(jīng)凹面光柵衍射后的像差曲線(xiàn)

圖14 利用凹面光柵進(jìn)行非相干合成實(shí)驗(yàn)裝置圖

5 總結(jié)與展望

針對(duì)當(dāng)前高功率激光的拼接現(xiàn)狀,本文歸納出3種不同的光纖激光拼接方案。闡明了各方案的拼接原理,綜述了空間光束拼接的最新進(jìn)展,詳細(xì)分析了各拼接方案的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程,并呈現(xiàn)了這些拼接方案所取得的階段性成果。通過(guò)這些闡述和分析,不難發(fā)現(xiàn),利用轉(zhuǎn)向鏡拼接方案中雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但合成元件的數(shù)目增加將會(huì)使得系統(tǒng)復(fù)雜難以控制；利用合束器的拼接方案由于是全光纖結(jié)構(gòu),合成效率較高,但對(duì)技術(shù)要求較為苛刻；而對(duì)于利用凹面光柵進(jìn)行的空間拼接,其實(shí)現(xiàn)所需元件的復(fù)雜度雖然較低,但像差對(duì)合成效果的影響不容忽視。目前,基于凹面光柵拼接的實(shí)驗(yàn)還在進(jìn)行之中,其詳細(xì)結(jié)果將后續(xù)報(bào)道。