两路双包层光纤激光器互注入锁相实验研究

所需的时间， !5 为上能级粒子数的荧光寿命， #为 光纤激光器的运转频率， $ 为光纤激光器的初始相 位，& 为光强的振幅， 下标 # 和 $ 表示不同的光纤激 光器 ’ 在本实验中， 由于两路光纤激光器所采用的抽 运源、 掺杂光纤和光纤光栅等元件的参数几乎完全 相同， 为简单起见， 可认为两路光纤激光器的抽运系 数、 增益系数、 衰减系数和光强振幅都相等， 则 （#） — （;） 式可整理化简为 /! $ 0 $ $ 1# <4+ （-） !2 ! $3! #， /" 式中 ! $ 0 $# 1$$ ， ! # 0 ## 1 #$ 分别为两路光纤 激光器之间的相位差和运转频率差 ’ 从 （ -） 式可知，
$
6 B 实验结果及讨论
对于激光器相干合成阵列来说， 两项指标是最 重要的， 一是激光阵列的远场光强分布， 远场光强分 布体现出激光阵列的相干程度， 在两路激光器相干 合成中， 也就是观察远场的相干条纹可见度的大小， 条纹越清晰稳定， 激光相干度越高； 二是激光阵列的 功率合成效率， 对于两路激光相干合成来说， 如果激 光束的功率合成效率低于 %)& ，那么合成输出后的 功率将小于合成前的单路激光器的输出功率， 因此 将没有任何意义， 功率合成效率越高， 激光相干合成 阵列的效费比越好 ’ 基于以上认识 ’ 在实验中重点研 究了本方案的远场光强分布和功率合成效率 ’ ! " #$ 合成前后远场光强分布的变化 在实验中， 精密调节光路， 使两路激光器通过角
提出了一种利用 $(,半透半反分束镜和角锥反射器实现两路光纤激光器的能量相互注入， 从而获得相干合成 激光输出的新方法， 分析了其锁相原理 - 在实验上成功实现了两路独立振荡双包层光纤激光器的互注入锁相输出， ， 获得了超过 !& / 的相干合成激光输出， 功率合成效率约为 在远场观察到了清晰稳定的干涉条纹 （可见度约 &.(’） 这种互注入锁相方法可以在更高功率条件下运行， 是光纤激光相干合成领域一种有前途的新 ’)0 - 实验表明， 技术 -
关键词：光纤激光器，相干合成，互注入锁相
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相的光纤激光器相干合成新方案， 在实验上成功实
!. 引
言
现了两路独立光纤激光器的注入锁定， 使两路激光 器在远场形成相干叠加， 观察到了清晰稳定的干涉 条纹， 条纹可见度约为 &.(’， 获得了超过 !& / 的相 干合成激光输出， 合成效率约为 ’)0 -
1# 两路激光器的相 只有当 ! # 满足 ! # ! $$ !2 时， 位才能 随 时 间 变 化 收 敛 于 一 个 固 定 值， 从而使得
/! $ 0 )， 即实现两路光纤激光器的相位锁定’ /" 1# 因此在实验中， 必须严格 $$ !2 被称之为锁相带宽， 控制两路光纤激光器的运行频率差， 使之处于锁相 带宽范围之内 ’ 在本实验中， 为使两路激光器的独立运行频率 差处于其锁相带宽内 （约 #) (=>） ， 我们选用了两只
条纹可见度约为 5=>? # 实验中， 两路光纤激光器由 于结构 的 原 因 不 能 使 光 束 紧 密 靠 近， 占空比约为 条纹间距较密， 受 116 的分辨率限制， 不能准 5=""，
3,3)
物
理
学
报
/; 卷
确体现出光强的实际分布， 而且在实验中也不能完 全控制两路光纤的强度， 使其严格相等， 因此实际的 条纹对比度可能比计算值会更高一些 ! ! " #$ 功率合成效率 功率合成效率是衡量激光相干阵列的另一个重 要指标， 为了更为科学地定义和测量本实验中的光 纤阵列的功率合成效率， 相干合成激光阵列的功率 合成效率定义为： 在相同抽运条件下， 激光阵列相干 合成后的总体输出功率与激光阵列在未引入相干合 成元件前的最大输出功率的比值 ! 功率合成效率测 试实验研究步骤如下： 首先在搭建相干合成实验光 路前， 在每路光纤激光器的准直器外加上输出镜 作为光纤激光器的输出腔镜， 如图 $ 所示 ! 精密 "#， 调节光路， 使 %&’ 和 "# 构成光纤激光器的谐振腔， 从而实现两路光纤激光器的稳定输出， 当输出功率 达到最高时， 即可认为激光器达到了最佳的谐振状 态 ! 此时分别测试两路光纤激光器的输出功率随抽 运电流的变化曲线， 在最高抽运水平下， 两路光纤激 光器 （ %(# 和 %()） 的最高输出功率分别为 *+, 和 -+# 两路光纤激光器的输出功率 .! 在相同电流条件下， 之和即为相干合成前阵列的原始输出功率 !
［#］ 成方案的报道， 包括主动锁相放大方案 、 耦合器自 ［%］ ［$］ 自成像谐振腔方案 、 迈克尔逊干 调整锁相方案 、 ［(］ ［)］ 涉腔 和多芯光纤相干合成方案 等， 并且更多的 相干合成方案也在逐渐被报道 - 基于角锥的后向反 ［!］
# . 相干合成实验方案和原理
基于角锥互注入锁相的两路光纤激光器相干合 成实验结构和光路如图 ! 所示 - 两路 >?% @ 掺杂双包 层光纤激光器的结构完全相同， 两台带尾纤输出的 （发射波长为 +’( C5） 作为抽运源， 半导体激光器 AB 两只反 射 波 长 几 乎 全 同 的 光 纤 DE6FF 光 栅 （ GDH， 作为激光器的前腔镜， 增益光 ! I &.++ ; !&*( C5） 纤为 !( 5 长的 >?% @ 掺杂双包层光纤 （芯径 ’ ! 外 5， 包层为星型， 包层直径 !%& ! 数值孔径 &.$!） ， 增 5， 益光纤的尾端连接一个小尺寸组合透镜式准直器 （GJ） 对信号 - 由于准直器表面做了增透镀膜处理， 光几乎无反射， 因此不能与 GDH 形成谐振 - 两路光 纤激光器的准直器输出端与角锥底面顶点对称排 列， 角锥与准直器之间插入一块 $(, 半透半反分束 镜， 分束镜以 $(,角度放置 - 第一台光纤激光器 GA! 输出激光与分束镜相遇， 其激光中的一半能量被分 束镜反射， 另一半能量则穿过分束镜， 经过角锥的对 称反射 和 分 束 器 的 再 次 分 束， 使得第一台激光器
第 (* 卷 第 ) 期 #&&+ 年 ) 月 （&)） !&&&4%#+&K#&&+K(* K%+#+4&(
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（7） （%） （;）
式中 ! 为光纤激光器内的光强，# 为增益系数， " 为衰减系数，$ 为两路光纤激光器的能量互注入系 数，% 为抽运系数， !2 为光子在谐振腔内往返一次
A期
刘
洋等：两路双包层光纤激光器互注入锁相实验研究
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锥的互注入效率达到最高， 并且使 !" 与两路光纤 激光器达到同步谐振 # 实验中利用 $%&’&()* 公司生 产的 +,-./0.$12345 型激光光斑分析仪 （ 116， 软 件版本 7 # 89）测量两路光纤激光器互注入前后远场 光强分布 # 为方便观察两路光纤激光器相干合成输 出的远场光强分布， 用一个 " : 正透镜将两路激光 进行聚焦， 其焦点光强分布即可等效为两路光纤激 光相干合成输出的远场分布 # 首先利用一块金属挡片置于分束镜与角锥之 间， 以阻止两路激光器的相互注入， 此时测量 " : 正 透镜焦点处的光强分布为未实现互注入时的两路光 纤激光器的远场光强分布， 即两台激光器独立运行 时的远场光强分布 # 图 4 （ ;） 和 （ <） 是第一台和第二 台光纤激光器独立振荡输出时的远场强度分布， 均
高功率光纤激光器在强激光杀伤、 激光反导与 反卫、 激光交汇对接、 激光火控系统等军事领域， 具 有广泛而重要的应用前景， 是当今激光领域的关键 技术和研究热点 - 目前， 单根光纤激光器的输出功率 已经达到千瓦量级 ， 但是光纤的纤芯很细， 在大功 率输出的时候腔内的激光功率密度很高， 非线性和 热损伤效应严重， 限制了单个光纤激光器输出功率 的进一步提高 - 对于一些更大的功率需求， 单个光纤 激光器就很难满足其需要， 这就使人们想到了多个 光纤激光器的相干合成方案 - 用相干合成技术， 一方 面可以将激光器的输出功率和亮度极大提高， 另一 方面同时也避免了单个光纤激光器为了提高功率而 使激光器的各个参量工作在极限情况， 保证了激光 器的稳定性和可靠性 - 最近几年来， 光纤激光器合成 技术 成 为 了 当 今 光 电 子 技 术 研 究 领 域 的 最 前 沿 课题 在光纤激光相干合成研究领域， 现已有多种合
为高斯分布 # 图 （ 是两台独立运行光纤激光器在 9 ;） 远场的合成光强分布图， 从图可知， 两路光纤激光器 的合成光斑图除了在光轴的强度上面有所增加外， 几乎没有其他差别， 证明此时是两路光纤激光器的 非相干合成， 仅为能量的简单数学叠加 # 撤走挡片， 使两路光纤激光器的能量通过角锥实现互注入， 此 时测量的光强分布即为两路光纤激光器实现互注入 后的合成光强分布 # 测试的实验结果如图 9 （ <） 所 示， 其远场光强分布是明显的两路光纤激光器相干 合成的振幅叠加模式， 远场的干涉条纹非常清晰 # 实 验说明两台原本各自独立工作的光纤激光器通过能 量的相互注入， 使得它们之间的振荡模式相互关联， 相互影响， 从而达到共同的工作状态， 实现了锁相 输出 #