基于混合合束的復(fù)合激光系統(tǒng)

龍井宇，卜英華，穆讓修，李 剛，張 佳，壽少峻

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

激光與物質(zhì)相互作用的研究是激光技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，單一波長(zhǎng)或者單一脈沖寬度（或者連續(xù)激光）的激光與物質(zhì)相互作用的宏觀現(xiàn)象、微觀機(jī)理、激光誘導(dǎo)損傷的閾值等方面已經(jīng)取得大量的研究成果。近年來，研究中發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)激光和脈沖激光同時(shí)輻照的作用下，某些宏觀效應(yīng)閾值會(huì)發(fā)生顯著變化，這表明連續(xù)激光與脈沖激光存在耦合效應(yīng)。復(fù)合激光束與物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)理與單一激光束輻照時(shí)的微觀機(jī)理存在差異[1-4]。用于研究激光耦合效應(yīng)的激光源通常包括2 個(gè)以上不同類型的激光器。實(shí)驗(yàn)中，為了實(shí)現(xiàn)空間上的能量疊加，將激光束從不同方向入射到效應(yīng)物，這樣的裝置體積龐大，且不便于各激光束參數(shù)的同步調(diào)整與測(cè)量。

激光光束合成可以獲得具有單光束傳輸特性并具有更高總輸出功率和亮度的新光束。近年來，激光合束技術(shù)在眾多高功率、高光束質(zhì)量激光系統(tǒng)的應(yīng)用訴求的推動(dòng)下，在相關(guān)光學(xué)器件，如光柵的發(fā)展推動(dòng)下，獲得了迅速發(fā)展。提出并實(shí)現(xiàn)了多種光束合成的方法[5-10]，這些方法包括相干合束（coherent beam combining，CBC）、波長(zhǎng)（光譜）合束（wavelength beam combining，WBC）、非相干合束（incoherent beam combining）及混合合束（hybrid beam combining，HBC）。

本研究基于光束合成技術(shù)和光纖激光器技術(shù)，將不同時(shí)域特征的線偏振激光束配置于不同偏振方向，同時(shí)將不同時(shí)域特征的激光束配置于不同的中心波長(zhǎng)，進(jìn)而采用偏振/光譜混合合束方式，將這些不同體制及光譜波段的激光合成一束。該合束系統(tǒng)具有傳輸效率高、光束質(zhì)量良好和空間共軸特性，可用于激光與物質(zhì)相互作用研究以及軍事領(lǐng)域的復(fù)合激光對(duì)抗等，有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 混合合束激光系統(tǒng)組成

混合合束激光系統(tǒng)由合束系統(tǒng)和4 個(gè)激光器單元構(gòu)成。合束系統(tǒng)包含2 個(gè)偏振合束單元和一個(gè)光譜合束單元。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和光路布局如圖1所示。2 個(gè)偏振合束單元選用45°偏振合光平片，中心波長(zhǎng)分別為1 064 nm 和1 090 nm。在偏振合光平片2 個(gè)輸入面前方設(shè)置零級(jí)半波片，其作用是調(diào)整入射偏振光的偏振方向與合光平片的p 光或者s 光方向重合，以獲得最大的合束效率。光譜合束單元由一個(gè)長(zhǎng)波通截止濾光片和一個(gè)10°反射鏡構(gòu)成，前者對(duì)1 064 nm±5 nm 波段具有高反射率，同時(shí)對(duì)1 090 nm±5 nm 波段具有高透射率。在每個(gè)光束準(zhǔn)直器和波片之間安裝雙光楔，用于微調(diào)光束指向。雙光楔結(jié)合光斑中心位置檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)施精密裝調(diào)，確保激光束之間的平行性精度。

圖1 復(fù)合激光系統(tǒng)光學(xué)布局圖Fig.1 Optical layout diagram of compound laser system

4 個(gè)激光器單元包含連續(xù)激光器，亞毫秒激光器，高頻脈沖激光器和納秒脈沖激光器。連續(xù)激光束和亞毫秒激光束通過一個(gè)偏振合束單元合為一束，高頻脈沖激光束和納秒脈沖激光束通過另一個(gè)偏振合束單元合為一束，兩組合成光束再通過光譜合束單元合為一束。

2 合束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及激光器參數(shù)優(yōu)化

2.1 合束器件選型

偏振合束采用多層介質(zhì)膜偏振合束鏡。該器件的優(yōu)點(diǎn)是工作波長(zhǎng)設(shè)計(jì)靈活，孔徑大，損耗低?？晒┻x擇的薄膜偏振合束器件包括棱鏡型和平板型兩類。合光棱鏡的兩塊直角棱鏡一般通過光膠進(jìn)行黏合，黏合的堅(jiān)固程度受限于棱鏡的尺寸，不利于大通光孔徑的實(shí)現(xiàn)，也增加了強(qiáng)激光輻照時(shí)發(fā)生損傷的風(fēng)險(xiǎn)。平板型偏振合束鏡（polarization beam plate）是基于薄膜材料的p 偏振光和s 偏振光的有效折射率不相等這一條件設(shè)計(jì)的，p 偏振光的高透射率和s 光的高反射率均是通過干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。平板型合束鏡的p 光入射面不鍍膜，由于是單片設(shè)計(jì)，僅有一個(gè)面鍍膜，并可以采用高損傷閾值的硬質(zhì)薄膜，因而平板型偏振合束鏡具有更高的光傳輸效率和激光損傷閾值。

光譜合束器一般可采用截止濾光片、光柵和棱鏡等。截止濾光片（interference filter）是指具有某一波段范圍的光束高透射，而偏離這一波段的光束驟然變化為高反射特性的濾光片，涉及2 個(gè)主要波段的截止濾光片也叫雙色鏡。本研究采用平板型偏振合束鏡和雙色鏡構(gòu)建混合合束系統(tǒng)。

2.2 合束效率仿真和激光器參數(shù)優(yōu)化

合束器件物理上相當(dāng)于濾波器，光譜合束器是單純的光譜濾波器，偏振合束器是光譜濾波器疊加一個(gè)檢偏器。本系統(tǒng)采用的合束器件本質(zhì)上都是基于光學(xué)薄膜技術(shù)，采用膜系設(shè)計(jì)軟件可生成一系列這樣的濾波器，對(duì)合束所需的膜系進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，約束條件包括激光束的中心波長(zhǎng)、譜線寬帶和偏振消光比。同時(shí)，激光器的光譜線型函數(shù)也可以利用計(jì)算機(jī)生成，對(duì)于光纖激光器采用高斯型光譜線型，對(duì)于固態(tài)激光器采用洛倫茲線型。數(shù)據(jù)由Python 的Numpy 模塊生成，并作為濾波器模塊的輸入信號(hào)。

使用TFCale 軟件對(duì)薄膜干涉濾光片的膜系進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，設(shè)計(jì)的合束器件透射率和反射率隨波長(zhǎng)及偏振態(tài)變化的函數(shù)數(shù)據(jù)，將作為輸入傳遞給等效濾波器，優(yōu)化程序計(jì)算合束效率，這一步可以迭代優(yōu)化激光束參數(shù)。理論上，足夠窄的光譜寬度和足夠高的偏振消光比可以獲得所需的合束效率。

典型的偏振分光膜具有大于99%的 s 光反射率和大于95%的p 光透過率，并具有超過10 nm的帶寬?？梢赃@樣認(rèn)為，在系統(tǒng)涉及的激光光譜范圍內(nèi)，反射（或透射）曲線是平坦和一致的，在效率仿真中，可以僅考慮激光偏振消光比的影響。

偏振合束器件對(duì)p 偏振光的透過率為Tp，對(duì)s 偏振光的透過率為Ts，對(duì)p 偏振光的反射率為Rp，對(duì)s 偏振光的反射率為Rs。對(duì)于任意線性偏振激光束，使P⊥的電矢量方向與合束器件的p 偏振方向嚴(yán)格垂直，P‖的電矢量方向與合束器件的s 偏振方向嚴(yán)格垂直，則線性偏振激光束通過合束器件透射通道的傳輸效率為

式中總激光功率P=P‖+P⊥。另外，可以使P⊥的電矢量方向與合束器件的s 偏振方向嚴(yán)格垂直，則P‖的電矢量方向與合束器件的p 偏振方向嚴(yán)格垂直，則線性偏振激光束通過合束器件反射通道的傳輸效率為

入射激光的偏振消光比為

圖2 所示為典型偏振合束器的透射（p 光）通道和反射（s 光）通道對(duì)入射線偏振光的傳輸效率隨入射光偏振消光比的變化曲線。當(dāng)偏振消光比大于13 dB 時(shí)，通過偏振合束器的反射通道可以獲得大于95%的傳輸效率，通過透射通道的傳輸效率大于90%。為獲得雙通道大于95%的平均效率，則需要激光器的偏振消光比大于16.1 dB。

圖2 偏振合束器的傳輸效率對(duì)消光比變化曲線Fig.2 Variation curves of transmission efficiency of polarization beam combiner with extinction ratio

工作波長(zhǎng)處于近紅外光譜區(qū)域的有固體激光器Nd:YAG、Yb:YAG 等以及摻Y(jié)b 石英光纖激光器。通過綜合考慮各激光源的時(shí)間特性、輸出功率、光束質(zhì)量及合束要求等因素，確定各單元所采用的激光器類型。前3 種激光器均選用光束質(zhì)量和效率更高的摻Y(jié)b 石英光纖激光器，利用其超過50 nm 的可調(diào)諧光譜范圍，結(jié)合光纖光柵技術(shù)可以精確地控制輸出激光的中心波長(zhǎng)和光譜寬度，以滿足光譜合束的要求。采用偏振保持光纖構(gòu)建光纖鏈路（包括增益光纖和被動(dòng)的傳能光纖），可以獲得線偏振光輸出，其偏振消光比一般在13 dB～15 dB，可以滿足高效偏振合束的要求。納秒脈沖激光器要求輸出高峰值功率（大于MW 級(jí)）短脈沖，受限于石英光纖的光學(xué)非線性效應(yīng)，在單模和大模場(chǎng)光纖不可能獲得高于50 kW 的峰值功率[11]。該激光器選用電光調(diào)Q的Nd:YAG 激光器，基于普克兒效應(yīng)的光開關(guān)是偏振相關(guān)的，激光器可以直接輸出消光比大于20 dB 的線偏振光，適用于高效率的偏振合束。

固體脈沖激光器的中心波長(zhǎng)為1 064 nm，其他3 個(gè)光纖激光器的波長(zhǎng)理論上可以在大約1 050 nm～1 100 nm 的范圍內(nèi)選取。首先為了獲得最大的偏振合束效率，一個(gè)光纖激光器的中心波長(zhǎng)可選為1 064 nm（這里稱為短波），其余2 個(gè)光纖激光器采用相同波長(zhǎng)（稱為長(zhǎng)波），并且為合束功率優(yōu)化，即同時(shí)考慮光纖激光器效率和光譜合束效率。一般商用光纖激光器的中心波長(zhǎng)為1 070 nm，但是這個(gè)波長(zhǎng)距離1 064 nm 僅6 nm，這意味著雙色鏡需要一個(gè)極為陡峭的過渡帶，因而增加了鍍膜的難度，并且激光中心波長(zhǎng)靠近過渡帶，容易導(dǎo)致合束輸出功率對(duì)激光波長(zhǎng)和譜寬漂移的敏感性。為了確定長(zhǎng)波光纖激光器的理想中心波長(zhǎng)，利用TFCale獲取一個(gè)雙色鏡的設(shè)計(jì)實(shí)例，并且生成相應(yīng)的反射率曲線。針對(duì)近紅外光譜合束鏡，基片選用熔石英（fused SiO2）,高折射率材料選用五氧化二鉭（Ta2O5），低折射率材料選用二氧化硅（SiO2）。綜合考慮系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)需求和偏振效應(yīng)的最小化，入射角選定為10°。過渡帶寬度設(shè)定為10 nm，相應(yīng)波段的透射率或者反射率要求擬定設(shè)計(jì)目標(biāo)，獲得了一種長(zhǎng)波通截止濾光片的反射光譜曲線，可利用該曲線結(jié)合激光器的輸出光譜曲線計(jì)算合束效率。光纖激光器和固體激光器的光譜線型分別以高斯函數(shù)描述和洛倫茲函數(shù)描述，歸一化光譜函數(shù)分別為

式中：λ0為中心波長(zhǎng)；Δλ為激光器的FWHM 譜線寬度；Δv為以頻率表征的激光譜線寬度；c為真空中的光速。激光束透過合束鏡的傳輸效率為

經(jīng)合束反射的傳輸效率為

利用上述激光光譜線型函數(shù)計(jì)算光譜合束效率，圖3 為長(zhǎng)波激光光譜特性與光譜合束效率的變化關(guān)系。當(dāng)中心波長(zhǎng)大于1 080 nm 時(shí)，激光的光譜寬度越窄，可接受的中心波長(zhǎng)越小。當(dāng)光譜寬度為2 nm 時(shí)，支持高傳輸率（＞0.99）的最小中心波長(zhǎng)可低至1 082 nm。為保證合束高效且穩(wěn)定，需要足夠的中心波長(zhǎng)間隔，并且處于反射曲線的平坦區(qū)，結(jié)合偏振合束鏡的帶寬進(jìn)行綜合考慮，系統(tǒng)以1 090 nm 作為長(zhǎng)波激光器中心波長(zhǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)值。

圖3 不同光譜寬度的近紅外長(zhǎng)波段合束效率隨中心波長(zhǎng)的變化曲線Fig.3 Variation curves of beam combination efficiency in near-infrared long wave band for different spectral widths with center wavelength

3 合成光束的光束質(zhì)量控制

激光光束質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際應(yīng)用類型有關(guān)，對(duì)于合成光束，光束質(zhì)量不但取決于各單元激光束的光束質(zhì)量，還依賴于各光束的空間位置關(guān)系和相對(duì)功率（能量）占比。無論采用何種光束質(zhì)量指標(biāo)，從幾何光學(xué)的意義上，提升各光束的共軸性和平行性對(duì)優(yōu)化合成光束的光束質(zhì)量總是有益的。采用我們?cè)谖墨I(xiàn)[12]中報(bào)道的激光光束指向檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合雙光楔對(duì)光束指向的調(diào)節(jié)作用，可以獲得高平行精度的合成光束。圖4 所示為光斑中心檢測(cè)系統(tǒng)主要硬件布局及光斑圖像處理軟件的界面。主要硬件包括一個(gè)離軸拋物面反射鏡、2 個(gè)直角棱鏡、光斑相機(jī)、中心密度衰減片組和用于圖像處理和顯示的計(jì)算機(jī)。被檢測(cè)準(zhǔn)直激光束經(jīng)過2 個(gè)直角棱鏡的菲尼爾反射衰減后，入射至離軸拋物面反射鏡。光斑相機(jī)的光敏面定位于離軸反射鏡的焦平面，中性密度衰減片進(jìn)一步降低入射激光功率密度至相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍以內(nèi)并抑制背景雜光的干擾?；谶@樣的硬件設(shè)置，入射光束軸的指向?qū)⑴c光斑中心在像素坐標(biāo)系中的位置一一對(duì)應(yīng)，所有平行光束將在焦平面處聚焦于同一位置，也就是所有平行光束經(jīng)過離軸反射鏡反射后在焦平面處的光斑中心是重合的。裝調(diào)過程中，通過轉(zhuǎn)動(dòng)雙光楔并實(shí)時(shí)檢測(cè)合成光束的光斑中心位置，使所有光束對(duì)應(yīng)的光斑中心位置重合，即可獲得平行光束。該過程可以獲得的平行性角精度取決于反射鏡的焦距值和數(shù)字相機(jī)的像素單元尺寸。

圖4 光束指向檢測(cè)系統(tǒng)主要硬件布局及軟件界面Fig.4 Main hardware layout and software interface of beam-pointing detection system

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

合束系統(tǒng)實(shí)際采用的偏振分光平片有效通光孔徑為45 mm，在1 064 nm 波段，對(duì)s 偏振光的反射率不低于99.6%，對(duì)p 偏振光的透射率不低于97.8%（見圖5（a））；在1 090 nm 波段，對(duì)s 偏振光的反射率不低于99.7%，對(duì)p 偏振光的透射率不低于97.9%（見圖5（b）），并且高反射/透射帶寬不低于10 nm。

圖5 偏振分光平片透射率測(cè)量曲線Fig.5 Measured value curves of transmission of polarized spectral flat film

實(shí)際各單元激光器的主要光學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)各單元激光器參數(shù)Table 1 Laser parameters of each unit

利用上述透射反射率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和表1 中激光器的實(shí)測(cè)消光比指標(biāo)，代入式（1）和式（2），在1 064 nm波段期望獲得透射通道的傳輸效率為96.9%（對(duì)應(yīng)納秒脈沖激光），反射通道的傳輸效率為96.9%（對(duì)應(yīng)高重頻激光）；在1 090 nm 波段期望獲得透射通道的傳輸效率為95.0%（對(duì)應(yīng)亞毫秒激光），反射通道的傳輸效率為96.8%（對(duì)應(yīng)連續(xù)激光）。各通道實(shí)測(cè)的傳輸效率分別為96.5%、96.5%、94.0%和96.0%，主要的誤差來自激光線偏振方向與合束鏡相應(yīng)偏振方向重合精度誤差，以及功率或能量計(jì)不穩(wěn)定輸出數(shù)據(jù)的舍入誤差。

實(shí)際采用的雙色鏡以熔石英為基底，五氧化二鉭（Ta2O5）為高折射率材料，二氧化硅（SiO2）為低折射率材料，交替鍍制的λ/4 膜堆為56 層（實(shí)際雙色鏡和仿真雙色鏡的反射率見圖6）。鏡片在1 064 nm 波段的反射率不低于99.3%，以1 064 nm為中心，反射率平臺(tái)區(qū)域不小于±3 nm?？赡苁欠抡嬖O(shè)計(jì)沒有考慮器件表面粗糙度的影響[13]，實(shí)際使用雙色鏡的過渡帶寬度顯著大于仿真結(jié)果，這導(dǎo)致盡管在1 090 nm 波長(zhǎng)處的透射率不低于98.2%，但在波長(zhǎng)小于1 090 nm 的短波區(qū)域，透射率顯著下降。實(shí)際測(cè)量結(jié)果雙色鏡對(duì)處于1 090 nm 波段的連續(xù)激光和亞毫秒激光的透過率分別為97.5%和97.0%，對(duì)處于1 064 nm 波段的高重頻激光和納秒脈沖激光的反射率均為99.0%。由于系統(tǒng)中光纖激光器均采用了光纖光柵作為反饋器件，獲得了足夠窄的光譜寬度(＜1 nm)和穩(wěn)定的中心波長(zhǎng)，連續(xù)激光和亞毫秒激光實(shí)測(cè)的中心波長(zhǎng)略小于1 090 nm（圖6 中子圖為連續(xù)光纖激光器的輸出光譜），但仍可獲得較高的傳輸效率。這里的誤差同樣包含功率或能量計(jì)不穩(wěn)定輸出數(shù)據(jù)的舍入誤差?？紤]測(cè)量誤差的前提下，合束器件的傳輸效率仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值具有較好的一致性。

圖6 實(shí)際的雙色鏡和仿真雙色鏡的反射率曲線Fig.6 Reflectance curves of real dichroic mirror and simulated dichroic mirror

進(jìn)一步測(cè)量混合合束各通道的傳輸效率，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的光纖激光器通過偏振合束器的反射通道和光譜合束器的透射通道的總合束效率為93.6%，亞毫秒光纖激光器通過偏振合束器的反射通道和光譜合束器的透射通道的總合束效率為91.5%；高重頻光纖激光器通過偏振合束器的反射通道和光譜合束器的反射通道的總合束效率為95.0%（含10°反射鏡的反射損耗）；固體納秒脈沖激光器通過偏振合束器的透射通道和光譜合束器的反射通道的總合束效率為95.5%（含10°反射鏡的反射損耗），4 路激光的平均合束效率為93.9%。

各單元激光器輸出均擴(kuò)束為束寬20 mm 準(zhǔn)直光束，作用在合束器件上的最大平均功率密度小于400 W/cm2，最大峰值功率密度小于10 MW/cm2，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，沒有發(fā)生器件激光誘導(dǎo)損傷。

實(shí)驗(yàn)中自搭建的光束指向檢測(cè)系統(tǒng)反射鏡焦距為3 m，光斑相機(jī)的像元尺寸為3.75 μm，理論上可實(shí)現(xiàn)的光束平行性精度約為1.25 μrad。實(shí)際上，考慮到光斑中心位置的測(cè)量誤差，光束的可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)平行精度應(yīng)略大于理論值。事實(shí)上，利用光束指向檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)得輸出激光束存在固有的指向不穩(wěn)定性，其參考值大約在5 μrad～10 μrad，遠(yuǎn)大于上述靜態(tài)平行精度。因此，在精密裝調(diào)工作完成的前提下，系統(tǒng)各光束的平行性精度主要取決于各光束指向的隨機(jī)抖動(dòng)。

5 結(jié)論

在近紅外波段，基于先進(jìn)光學(xué)薄膜技術(shù)的偏振合束和光譜合束器件具有高傳輸效率和高激光損傷閾值。利用偏振合束和光譜合束的混合合束技術(shù)，研制了包含光纖激光器和固體激光器單元的復(fù)合近紅外激光系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，該合束系統(tǒng)能夠保證多路激光束的高效合成和高光束質(zhì)量共軸輸出?，F(xiàn)階段，復(fù)合激光系統(tǒng)可用于激光與物質(zhì)相互作用研究，探索新現(xiàn)象、新機(jī)理，并且拓展激光技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。