光纤激光器光谱合成
光纤激光器光谱合束技术综述
光纤激光器光谱合束技术综述张大勇;郝金坪;朱辰;张昆;张利明【摘要】对实现高功率、高光束质量输出的光纤激光器光谱合束技术进行了综述。
针对体布拉格光栅合束和多层介质膜光栅合束两种技术方案进行介绍，从合束原理、高功率窄线宽光纤激光器单元、光栅器件以及合束方案等方面进行分析。
同时，针对近年来国内外在光纤激光光谱合束技术领域的发展也进行了归纳性的介绍。
%The technology on spectral beam combining of fiber lasers to achieve high power laser output and high beam quality is reviewed and illustrated. Two ways of spectral beam combing including volume Bragg grating combining and multilayer dielectric grating combining are introduced. The principle of spectral beam combining,high power narrow bandwidth fiber lasers,grating components and the schemes of beam combining are analyzed. Furthermore,the devel-opments of spectral beam combining of fiber lasers at home and abroad are summarized as well.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2016(046)005【总页数】5页(P517-521)【关键词】光纤激光器;光谱合束;体布拉格光栅;多层介质膜光栅【作者】张大勇;郝金坪;朱辰;张昆;张利明【作者单位】固体激光技术重点实验室，北京100015;固体激光技术重点实验室，北京100015;固体激光技术重点实验室，北京100015;固体激光技术重点实验室，北京100015;固体激光技术重点实验室，北京100015【正文语种】中文【中图分类】TN248.1高功率、高光束质量一直是固态激光器追求的目标,随着高端工业应用、特别是潜在的军事应用等需求的牵引,高功率、高光束质量的全固态激光器技术发展方兴未艾。
光纤激光器光谱合成
光纤激光器光谱合成
首先，光纤激光器是一种利用光纤作为增益介质的激光器。
它
通过在光纤中注入激光泵浦能量，使光子在光纤中发生受激辐射而
放大，从而产生激光输出。
光纤激光器具有波长可调性和窄线宽的
优点，这使得它在光谱合成中具有很大的应用潜力。
光纤激光器光谱合成的方法有多种。
一种常见的方法是利用光
纤激光器的波长可调性特点，通过调节激光器的工作参数，如泵浦
功率、泵浦波长、光纤长度等，来实现不同波长的光输出。
这种方
法可以实现单一波长的光输出，也可以实现多个波长的光输出。
另一种方法是利用光纤激光器的调制特性，通过在光纤中引入
调制器件，如光纤光栅、电吸收调制器等，来对激光信号进行调制。
通过调制的方式，可以在光纤激光器的输出中产生多个频率分布不
同的光信号，从而实现光谱的合成。
此外，光纤激光器光谱合成还可以通过光纤光栅的应用来实现。
光纤光栅是一种具有周期性折射率变化的光纤结构，可以通过调节
光栅的周期和折射率变化来实现对光信号的频率选择性反射。
通过
在光纤激光器中引入光纤光栅，可以实现对激光信号的频率选择性
反射和滤波，从而实现特定光谱的合成。
总的来说，光纤激光器光谱合成是一种利用光纤激光器的特性和技术手段来实现特定光谱的生成的方法。
它可以通过调节光纤激光器的工作参数、利用调制器件进行调制，或者利用光纤光栅进行频率选择性反射和滤波等方式来实现。
这些方法可以单独应用，也可以结合使用，以实现更复杂的光谱合成需求。
锁模光纤激光器的光谱
锁模光纤激光器的光谱锁模光纤激光器是一种高性能光纤激光器，其光谱具有独特的特点。
锁模光纤激光器通过被动锁模技术实现超短脉冲输出，具有很高的稳定性和可靠性。
其光谱特点主要表现在以下几个方面：1. 光谱宽度：锁模光纤激光器的光谱宽度相对较窄，这是由于被动锁模技术本身的特点决定的。
被动锁模光纤激光器通常采用线性光纤光栅或非线性光纤光栅作为光谱调节元件，通过调节光纤内的增益和损耗来实现光谱的窄化。
2. 光谱形状：锁模光纤激光器的光谱形状通常为高斯型或近高斯型分布。
这种光谱形状有利于实现较高的光束质量和输出功率。
同时，高斯型光谱具有良好的谱线对称性，有利于实现稳定的锁模输出。
3. 输出功率和波长调节：锁模光纤激光器的输出功率和波长可以通过调节泵浦源的功率、光纤激光器的结构以及光谱调节元件来实现优化。
在实际应用中，锁模光纤激光器通常需要具备较高的输出功率，以满足各种应用场景的需求。
4. 光谱稳定性：锁模光纤激光器具有较高的光谱稳定性，这是由于其被动锁模技术的特性所决定的。
在被动锁模光纤激光器中，锁模稳定性主要取决于光纤激光器内部的噪声源和光谱调节元件的稳定性。
通过选用高品质的光谱调节元件和优化光纤激光器结构，可以进一步提高光谱稳定性。
5. 光谱可调性：部分锁模光纤激光器具有光谱可调性，这意味着可以通过调节光谱调节元件或泵浦源来实现光谱的连续调整。
这种可调性有利于满足不同应用场景对光谱的需求。
综上所述，锁模光纤激光器的光谱具有窄宽度、高光束质量、良好的光谱形状、较高的输出功率和光谱稳定性等特点。
通过优化光纤激光器结构和光谱调节元件，可以进一步提高锁模光纤激光器的光谱性能。
双光束光纤激光器相干合成仿真及实验研究
双光束光纤激光器相干合成仿真及实验研究李发丹;郭会娜;孙建国;张兵;冯光【摘要】为了研究光纤激光器相干合成，采用光纤激光的相干合成数学模型仿真了双光束光纤激光相干合成的方法，模拟仿真了各类因素条件下高斯光束相干合成的功率分布，分析了不同参量条件下对合成效果的影响，并针对部分仿真结果进行了实验研究。
结果表明，双光纤激光空间距离为0mm，光束夹角为0°，偏振方向完全一致时，则相干合成效果最好。
%In order to study the coherent combination of fiber lasers , coherent combination method of dual-beam fiber laser was simulated by means of the mathematical model of coherent combination of fiber laser , the power distribution of the combined Gaussian beam was studied under different conditions , the effect of different parameters on the coherent combination was analyzed .After simulation and experimental verification , the results show that the best effect of coherent combination can be obtained when the space distance is 0mm, the beam angle is 0°and the po larization is identical .【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】6页(P509-514)【关键词】光纤光学;光纤激光器;相干合成;模拟仿真;实验【作者】李发丹;郭会娜;孙建国;张兵;冯光【作者单位】中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州450047;中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州450047;中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州450047;中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州450047;中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州450047【正文语种】中文【中图分类】TN248.1引言光纤激光器作为最先进的激光器早已出现，但是发展一直比较缓慢，一直到以双包层光纤为基础的包层抽运技术［1-2］出现后，光纤激光器输出功率才真正意义上从低功率发展到高功率输出，单根连续光纤激光器输出已经超过千瓦［3］，甚至IPG公司已经研发出了商业上万瓦的光纤激光器。
激光体光栅光谱合成的串扰分析
白慧君;汪岳峰;王军阵;雷呈强
【摘 要】体光栅光谱合成技术是获得高功率激光输出的一种有效途径,体光栅衍射旁瓣引起的串扰是影响合成效率的重要因素.基于Kogelnik的耦合波理论,分析了体光栅光谱合成系统的模型,对体光栅旁瓣引起的串扰损耗进行了计算仿真；推导并简化了有串扰情况下的多路激光光谱合成效率公式.数值分析结果表明:体光栅的串扰损耗主要来源于一级至四级旁瓣,随着相邻光束的波长间距的增大,体光栅对光束的串扰损耗逐渐降低.简化后的合成效率公式计算得到的结果与简化前的公式所得结果相差小于0.5％.%Spectral beam combining with volume Bragg grating is an effective approach to obtain high-power laser output. The cross-talk by the side-lobe of the volume Bragg grating is the main factor impacting the combining efficiency of spectral beam combining. A model of spectral combining system of multi-channels laser beams with volume Bragg grating ( VBG) is established, based on the Kogelnik theory of coupled waves. The cross-talk by the side-lobe of the VBG is simulated. By considering the cross-talk, the function of multi-channels laser combining efficiency is built and predigested. Numerical results show that the cross-talk of the VBG is mainly resulted from the first, second, third and forth order side-lobe. As the wavelength separation of the beam closed is raised, the cross-talk of the transmission reduces. The results between the predigested combining efficiency function and the original function are less than 0.5%, which meet the requirement.
两光纤激光器相干合成的实验研究_王建明
两光纤激光器相干合成的实验研究*王建明1)2)段开椋1)王屹山1)1)(中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,西安 710119)2)(中国科学院研究生院,北京 100049)(2007年12月10日收到;2008年2月25日收到修改稿)利用迈氏腔技术,进行了光子晶体光纤(PCF)激光器相干合成的实验研究,实现了两光子晶体光纤激光器的相位锁定,获得了功率为47W 的相干输出.解释了在迈氏腔的两个输出光路上分别实现相干相长和相干相消的物理机理.实验结果表明,合成激光光谱较单台PCF 激光器的激光光谱有显著的改善,波长带宽小于5nm.关键词:光子晶体光纤,相位锁定,迈氏腔,光纤激光器PACC :4255N,4260*中国科学院/西部之光0/联合学者0项目(批准号:0729591213)资助的课题.通讯联系人.E -mail:jimi.wang@11引言近年来,光纤激光器的输出功率不断提高,单根双包层光纤激光器的输出功率已达到kW 级[1)3],单根光子晶体光纤(PCF)激光器也已经获得1153kW 的高功率输出[4].但是随着输出功率的不断提高,光纤的热光损伤以及受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)等非线性效应的影响变得很严重,使得单根光纤激光输出功率的提高受到了很大限制.另外,输出功率不断提高时,输出光束的光束质量也会变差.为了好的光束质量和较高的输出功率,光束合成技术是一种潜在的技术途径.一般地,光束合成可分为非相干合成和相干合成.相对于非相干合成,相干合成不仅能实现较大的峰值功率,而且还可保证合成光束有较好的相干性和光束质量,因此相干合成技术具有很大的研究和应用价值.目前的相干合成技术主要有主振荡功率放大(MOPA )[5,6]、多芯光纤自组装[7]、全光纤相干技术[8]、和外腔相干组束[9)11]等.MOPA 技术属于主动调相技术,涉及到复杂的位相探测和调制技术;多芯光纤自组织所用光纤要求多根单模纤芯包含在共同的内包层中,对光纤的拉制工艺技术有很高的要求;全光纤相干技术是将多根光纤的输出激光通过光纤耦合器耦合进同一根光纤中,其合成输出功率同样受到单根光纤热光损伤的限制;外腔相干组束技术比较成熟,主要有自成像腔组束、光栅外腔组束和迈氏腔相干组束[12]等.迈氏腔相比其他外腔技术,具有结构简单,易于获得相干性较好的激光光束,而且可有效地改善输出光束的光束质量[12].1999年,Kozlov 等人报道了全光纤迈克尔逊型激光器,并通过温度调制其中一个FBG 的谐振波长,观测到了注入锁定现象[13].2002年,Shirakawa 等人利用全光纤迈克尔逊型激光器,通过应力调谐FBG 的谐振波长,同样观察到了相位锁定现象,并获得2157W 的输出功率[14].2004年,Sabourdy 等人报道了利用迈克尔逊干涉谐振腔对波长为975nm 的两路激光进行相干合成,得到了功率较高的,光束质量优良的激光输出[15].2007年,Fridman 等人[16]对基于迈克尔逊干涉腔的光纤激光器做了相关的研究,在300mW 输出功率范围内,对两种谐振腔进行了比较和分析,为优化激光器的性能提供了相关参考.本文利用迈氏腔技术,对两PC F 光纤激光器进行相干合成的研究,实现两激光光束相位锁定,得到了激光光束质量较好的单模连续输出,输出激光光谱带宽窄,较单PC F 光纤激光器的输出激光光束有了较大的改善.同时合成激光输出功率达到47W,没有明显非线性现象产生.采用此实验装置,利用大功率抽运源,优化设计抽运光耦合系统,激光输出功率还可得到进一步的提高.第57卷第9期2008年9月1000-3290P 2008P 57(09)P 5627-05物 理 学 报AC TA PHYSIC A SINICAVol.57,No.9,September,2008n 2008Chin.Phys.Soc.21实验装置及原理本文中应用的实验装置如图1所示,LD 1和LD 2为半导体抽运激光器,其抽运光中心波长为976nm.C 1和C 2为抽运耦合系统,将抽运光耦合进PC F 光纤,实验测得它们的耦合效率为70%.M 1和M 2为两个对激光1040)1090nm 高反(R >9915%)对抽运光高透(T >95%)的双色镜,它们构成PCF 激光器一端的腔镜.PC F 1和PC F 2是长度分别为2m 和4m 的光子晶体光纤,该光纤内包层的数值孔径为0162,纤芯直径为40L m,纤芯的数值孔径为0103,对976nm 抽运光的吸收系数为13dB P m,此光纤具有单模大模场特性,模场面积达到1000L m 2,光纤PCF 1和PC F 2的输出端面经过8b 角抛光处理,避免光纤端面的4%菲涅尔反射对激光输出的影响.L 1和L 2为非球面准直镜,用于对PCF 1和PCF 2发出的激光进行准直.M 3为45b 角放置的对激光高反的(R >9915%)的平面镜,利用M 3全反镜改变PC F 2的激光光路,使其光束与PCF 1光束垂直交汇在M 4上,由于M 3的角度可方便进行微调,优化了传统迈克尔逊干涉腔的结构,降低了实验操作的难度[12].分束镜M 4为45b 放置的对激光1040nm 半透半反(R U 50%,T U 50%)的分束镜,激光通过M 4分成互相垂直的两个分光束.PCF 1和PCF 2两个激光器构成迈克尔逊干涉腔的两臂,它们发出的激光通过M 4分光后相互叠加成光束B 1和B 2.M 5为对激光部分反射(R =15%)的耦合输出镜,分别与M 1和M 2构成激光谐振腔.图1 实验装置示意图31实验结果与分析反复调节实验系统,使M 1,M 2分别与M 5构成谐振腔,这样在两激光器同时工作时,由于M 4和M 5的作用,可实现两激光器的光束的相互注入.首先分别单独打开一个PCF 激光器,关闭另一激光器,分别测量单台PCF 激光器在B 1和B 2光路上的光束功率,发现B 1和B 2光路上的光束功率近似相等,这是由于M 4对激光半透半反造成的.然后同时打开两台激光器,发现在相同的抽运功率下,B 2光路上的光束功率明显大于B 1光路的光束功率,表明两台PC F 激光器实现了相位锁定,两台激光器发射的光束经M 4分束后在B 2光路上获得相干相长,而在B 1光路上获得相干相消.两激光器单独工作时和两台激光器同时输出时,在B 2光路上光束功率测试结果如图2所示,两激光器单独工作时倾斜效率分别为2518%和2216%.两台激光器同时工作时,系统倾斜效率为3117%,在抽运光总功率为148W 时,获得47W 的相干输出功率,合成效率为65%.另外,我们对B 1光路上的光束功率也进行了测量,发现相消光束的最大输出功率为17W,两路光束并未完全相消,这主要是由于在B 1光路上的两光束功率不对称引起的,根据干涉理论,只有两光束光强相等时,两路光束才能完全相消.但实际工作时,两PCF 激光器输出功率在相干光路B 1或B 2上的光强不完全相等.另外,位相噪声、光束偏振特性等对合成效率的提高也有一定影响,如何提高光束位相、偏振稳定性,以提高相干合成效率,有待做深5628物 理 学 报57卷入地研究.图2 单PCF 激光器及合成输出激光随各抽运光功率的变化实验中两激光器的相位锁定是通过激光器的相互注入,由自组织机理实现的[10],两台激光器经分束镜后,在B 1和B 2上分别获得相干相消和相干相长,其物理机理可详细解释如下:如图3为两束激光经分束镜M 4的光路图.1为分束镜的镜片,折射率为n 1,2是对激光1040nm 半透半反膜,等效折射率为n 21设空气折射率为n 0,各折射率关系为n 1>n 2>n 0.图3中a 光和b 光分别表示两PC F 激光器发出的光束,它们在膜2上反射和透射,B 1为a 的透射光a 1和b 的反射光b 1的叠加光束,B 2为a 的反射光a 2和b 的透射光b 2的叠加光束.设a 光和b 光的初始相位相同,U a =U b =U 0,且光a 和光b 的入射角相同,膜2是很薄的半透半反膜,其厚度相对于基体1可忽略,设a 光和b 光在分光镜中传播的单向等效光程为d .对B 1光路,a 1的相位为U a 1=U a +2P n 1d P K =U 0+2P n 1d P K ,b 1的相位为U b 1=U b +P =U 0+P ,则a 1和b 1的相位差$U 1=U a 1-U b 1=2P n 1d P K -P ;对B 2光路,a 2的相位为U a 2=U a +2#2P n 1d P K =U 0+4P n 1d P K ,b 2的相位为U b 2=U b +2P n 1d P K =U 0+2P n 1d P K ,则a 2和b 2的相位差为$U 2=U a 2-U b 2=2P n 1d P K ,因此$U 1和$U 2相差一个P 相位.若$U 2=k #2P (k 为整数),即a 2和b 2的相位相同U a 2=U b 2=U 0,则$U 1=k #2P -P ,即a 1和b 1的相位相差一个P 相位.同理,当a 1和b 1相位相同时,a 2和b 2相差一个P 相位.当两PC F 激光器实现相互注入时,两PCF 激光器将由于自组织机理进行选模,结果使满足$U =2k P 的有限个模才能在两PCF 激光器中产生稳定的振荡,在B 2上光束相干相长,在B 1上光束相干相消.图3 分束镜光路模型图4 单台PCF 光纤激光器和相干合成的激光光谱 (a)PCF 1;(b)PCF 2;(c)相干合成我们利用美国光子公司的GM30E -527光谱分析仪对单台PCF 激光器和相干合成系统输出光谱56299期王建明等:两光纤激光器相干合成的实验研究进行了测定分析.图4(a)为PCF1激光器的激光光谱,(b)为PC F2激光器的激光光谱,(c)为两激光器的相干合成激光光谱.可以看出,单台PCF激光器的波长带宽约为10nm,并且存在2个峰值,这主要是由于掺Yb光纤增益带宽较大引起的.当两激光器由于相互注入实现相位锁定以后,两激光器频谱成分不同的激光受到了抑制,而频谱成分相同的激光得到了放大,成为两PC F激光谐振腔的主要振荡模式,因而获得了谱宽较窄的激光光谱.如图4(c)所示,相干合成激光带宽小于5nm,并且不受外界环境扰动的影响,随着激光功率的增加,系统能够保持稳定光谱输出.41结论利用迈氏腔技术实现了两PCF激光器的相位锁定,获得了47W的高功率输出,并对利用迈氏腔在两个输出光路上分别实现相干相长和相干相消物理机理进行了理论分析.实验获得了激光带宽小于5nm的激光光谱,这表明,迈氏腔技术不仅能有效提高光束质量而且能有效改善输出光束的光谱特性.实验发现随着功率增加,没有不良现象产生,若对系统相关参数进一步优化,有望获得更高的输出效率,获得更高功率的激光输出.[1]Li mpert J,Lie m A,Zellmer H,T nnermann A2003Ele ctron.Lett.39645[2]Jeong Y,Sahu J,Payne D,Nilss or J2004O pt.Expre ss126088[3]Gapont D2005Lase r Foc us World419[4]Bonati G,Voelckel H,Gabler T,Krause U,T nnermann A,Li mpert J,Lie m A,Schreiber T,Nolte S,Zell mer H2005Photonic s West,San Jose,Late.Breaking Deve lo pments,Ses sion5709-2a[5]Culpepper M A2002SPIE462999[6]Xiao R,Hou J,Jiang Z F2006Acta Phys.Sin.556464(i nChinese)[肖瑞、侯静、姜宗福2006物理学报556464][7]Bochove E J,Cheo P K,King G G2003O pt.L e tt.281200[8]Sabourdy D,Kermene V,Des farges-Berthelemot A,Lefort L,Barthelemy A,Even P,Pureur D2003O pt.Expre ss.1187 [9]Morel J,Woodtli A,Dandliker R1993O pt L e tt.181520[10]Corcoran C J,Durville F2005Appl Phys Lett.86201118[11]Chen Z L,Hou J,Zhou P,Li u L,Ji ang Z F2007Acta Phys.Sin.567046(in Chi nese)[陈子伦、侯静、周朴、刘亮、姜宗福2007物理学报567046][12]Peng Q,Sun Z,Chen Y,G uo L,Bo Y,Yang X,Xu Z2005O pt.Lett.301485[13]Kozlov V A,He m andez-Cordero J,Morse T F1999O pt.Lett.241814[14]Shi raka wa A,Saitou T,Seki guc hi T,Ueda K2002Opt.Express.10l667[15]Sabourdy D,Des farges-Berthelemot A,Kermene V,Barthele my A2004IEEE Journal o f Selec ted To pics in Quantum Ele ctronics101033[16]Fridman M,Eckhouse V,Davidson N,Friese m A A2007O pt.Lett.327905630物理学报57卷Experimental study of coherent beam combiningof two fiber lasers *Wang Jian -Ming 1)2) Duan Ka -i Liang 1) Wang Y-i Shan 1)1)(State Ke y Labora tory o f Tra nsien t O ptics an d Ph oton ics ,Xi .an In stitute o f Optics an d Precision Mech an ics ,Ch inese Aca demy o f Sc ienc es ,Xi .an 710119,Ch ina )2)(Gra dua te S chool ,Ch inese Aca demy o f Sc ienc es ,Be ijin g 100049,Chin a )(Received 10December 2007;re vised manu scrip t received 25Feb ru ary 2008)AbstractThe phase -locking of two photonic c rystal fiber (PCF)lasers is studied experimentally by using Michelson cavity technique,and 47W cohere nt output po we r is obtained.The phenomenon of interference -enhanceme nt and inte rference -loss on the two arms of the Michelson cavity is theoretically explained by analyzing the optical path diffe re nce.Experiment shows that the Michelson cavity setup can i mprove the spec tra of the c ombined laser significantly.The bandwidth of the co mbined laser is less than 5nm in our experiment.Keywords :photonic crystal fiber,phase -locking,M ichelson cavity,fiber laser PACC :4255N,4260*Project supported by the Co -sc holar Project of the Li ght in the Wes t by the Chines e Academy of Sciences,China (G rant No.0729591213).Correspondi ng author.E -mail:ji mi.wang@li 56319期王建明等:两光纤激光器相干合成的实验研究。
光纤激光器相干合成技术研究的开题报告
光纤激光器相干合成技术研究的开题报告题目：光纤激光器相干合成技术研究一、研究背景随着现代通讯技术、光纤传输技术以及卫星通讯技术的不断发展，对于高速信息传输和数据传输的要求也日益增加。
而相干合成技术则是解决传输中光信号传输距离受限制、信号衰减等问题的重要技术手段之一。
光纤激光器相干合成技术，是一种通过将多个光纤激光器的输出信号进行相干合成，生成单一、高功率光信号的技术手段。
该技术在高功率激光器制备、激光雷达、光通信等领域中有广泛的应用和发展前景。
二、研究内容和目标本研究旨在通过对光纤激光器相干合成技术的深入研究，探索如何优化激光器的输出功率、光束质量、干涉效应、相位稳定性等性能指标，实现高效率，高灵敏度的信号传输，进一步提高光纤激光器相干合成技术的应用价值。
具体而言，本研究将从以下三个方面展开：1. 光纤激光器输出功率：合理设计激光器输出光功率及能耗，选取合适的激光波长，提高光纤激光器相干合成的输出功率。
2. 光束质量和稳定性：分析和解决相干合成过程中光束相位差、调谐误差、热效应等因素对光束品质和稳定性的影响，提高光束质量和稳定性。
3. 干涉效应：通过模拟和实验的方法，探究多个光纤激光器组成的干涉效应，分析干涉效应的参数和影响因素，实现干涉效应控制和优化。
三、研究方法和预期成果本研究将采用数值仿真和实验相结合的方法进行研究。
通过建立光纤激光器仿真模型，进行电光效应仿真，结合实验测试结果，研究光纤激光器输出功率、光束质量、相位稳定性和干涉效应多种性能指标。
在对多种性能指标进行实验测试和优化改进的基础上，提出一套高效率，高灵敏度的光纤激光器相干合成技术方案。
预期成果包括：1. 提出一套高效率的光纤激光器相干合成技术方案。
2. 深入探究光纤激光器相干合成技术中各个性能指标的影响因素及优化方法。
3. 发表一篇有影响力的相关领域学术论文。
四、研究意义光纤激光器相干合成技术是一种在激光制备、激光雷达、光通信等领域有广泛应用的技术。
高能光纤激光器光束合成技术
Ｂｅａｍ ｃｏｍ ｂｉｎｉｎｇ ｏｆ ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｆ ｉｂｒｅ ｌａｓｅｒｓ
Ｃｈｅｎｇ Ｘｕｅ ．＿，Ｗ ａｎｇ Ｊｉａｎｌｉ ，Ｌｉｕ Ｃｈａｎｇｈｕａ ，
（１．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍ ｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ；３．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｐａｃｅ Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ Ｄｅｂｒｉｓ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｐｕｒｐｌｅ Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ｏｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００８，Ｃｈｉｎａ）
３．中国科 学 院紫金 山天 文 台 中国科 学院空 间 目标 与碎 片观测 重点 实验 室 ，江 苏 南京 ２１０００８）
摘 要 ：高能光纤激光 器光束合成技术是近年来 高能激光 器尤其是定 向能源应 用中的研 究热 点 ，可 突破 单根单模光纤激光 的输 出功率限制 ，为 高功率高光束质量的激光武器应用奠定了理论基础。介 绍 了光 纤激 光非相干合成和相 干合成的 国内外研 究现状 ，给 出了非相干合成技 术中光束重 叠和光谱合成 的基本合成 原理 ，重点介绍 了国 内外多家研 究机构光谱合 成近年 来所达到的技 术水平 ；介 绍了国 内外相干合成技 术的 最新研 究进展 ，对相干合成等效大 口径激光 阵列输 出中几种不 同的透射 式相干合成 阵列输 出和反射式相 干合成阵列输 出的关键合成装置 ，以及 相干合成单一孔径输 出中的核 心光学元件进行详细分析。最后 简要 对比 了高能光纤激光 器光束相干合成技 术和 非相 干合成技术的优 缺点和应 用范围。 关键 词 ：光 纤激光 器； 相干合成 ； 非相 干合成 ； 激光合束 中 图 分 类 号 ：ＴＮ２５３ 文 献 标 志 码 ：Ａ ＤｏＩ：ｌ０．３７８８／ＩＲＬＡ２０１８４７．０１０３０１１
高功率光纤激光相干合成关键技术
当系统的相位控制周期Ｔ＝ｔ。一ｌ。小于相位 噪声的特征周期时，系统就可以通过循环执行上 述算法完成各路光束问的相位锁定，实现多路光 束的相干合成。 由于单频抖动法在任一时刻只需要一路相位 调制信号，因此信号处理器设计容易，实验简单． 更易于走向实用。但是当进行大数量光束相干合 成时，单频抖动法的串行工作模式会降低控制系 统带宽，影响相干合成效果。基于此，本文在这一
ｆｏｒ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆ
ｃｏｈｅｒｅｎｔ
ｂｅａｍ
ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ；ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｂｅａｍ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ；ｐｈａｓｅ—ｌｏｃｋｉｎｇ；ｌａｓｅｒ ｂｅａｍｓ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ
技术基础之上提出了多、单抖动法混合控制锁相 技术。
２．３多、单频抖动法混合控制锁相技术 多、单抖动法混合控制锁相技术原理如图４ 所示，该方案的实验系统结构与图２和图３相同， 只是控制算法有所差异。为了便于说明，将图４ 中的光束分为两组。第一、二路为第一组，第三、四 路为第二组，各组采用单频抖动法合成。两组间采 用多抖动法合成，即各组之间并行工作。这样，一 方面缓解了多抖动法频率资源紧缺的困难，另一 方面缓解了单频抖动法控制带宽随光束数量增加 而下降的瓶颈。当合成光束数目增加到几十束甚 至上百束时，这一锁相技术的优势将迅速凸显
Ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ ｃｏｈｅｒｅｎｔ
ｂｅａｍ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ
ＭＡ Ｙａｎｘｉｎｇ，ＳＩ Ｌｅｉ，ＺＨＯＵ Ｐｕ，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏｌｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ｋａｎ，ＺＨＡＯ Ｈａｉｃｈｕａｎ，ＸＵ，Ｘｉａｏｊｕｎ，ＺＨＡＯ ｒｉｊｕｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ
光纤激光共孔径光谱合成实现5kW高效优质输出
２ ０ １ ５年 ４月
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ Ｇ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡ ＲＴ Ｉ ＣＬＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖｏ １ ． ２ ７ ，Ｎ０ ． ４
Ａｐｒ ． 谱 合 成 实现 ５ ｋ Ｗ 高效 优 质 输 出
采 用 多层 介质 膜衍 射光 栅 （ ＭＬ Ｄ光 栅 ） 的光 纤激 光光 谱 合 成 系统 能 实现 多 个不 同 中心 波 长 的单 纤 子 束 激 光 的高效 率 、 高光 束质 量共 孔径 合成 ， 该 系统 无需 对合 成 子束 激 光进 行 复 杂 的相 位 控制 ， 并 且 放 宽 了合 成 子 束 的线 宽要 求从 而 降低 了合成 子束 激 光提 升功 率 时面 临 的非 线性 效应 控 制 等难 度 ， 因此该 系统 具 有 同 时实 现 高
功率 、 高效 率 和高 光束 质量 的发 展潜 力 。２ ０ １ １ 年， 德国 Ｆ ｒ ａ ｕ ｎ ｈ ｏ ｆ ｅ ｒ 研究 所 的 Ｃ ｈ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ａ ｎ ｗｉ ｒ ｔ ｈ等采 用 ＭＬ Ｄ
光栅 实现 了 ４路 ２ ． １ ｋ ｗ 光子 晶体 光纤 激 光 的光谱 合成 ， 获得了 ８ ． ２ ｋ ｗ 的 高功 率 激光 输 出 ， 不过 其合 成 光 束 质量并 不 理想 （ Ｍ。 一４ ． ３ ＠７ ． ３ ｋ ｗ） ［ ４ ３ 。２ ０ １ ２年 ， 美 国洛马 公 司的 Ａｆ ｚ ａ ｌ 等 采用 ＭＬ Ｄ光栅 实 现 了 １ ２路 ２ ８ ０ Ｗ 光纤激 光 子束 的光 谱合 成 ， 获得 了 ３ ｋ ｗ 的高 光 束 质量 合 成 ， 光 束 质量 ＜ １ ． ４ ＿ ３ ］ 。根据 洛 马 公 司 ２ ０ １ ４年 １ 月 的报道 ， 该公 司 已经 实现 了 ３ Ｏ ｋ ｗ 高光束 质 量输 出 。洛马 公 司光 谱合 成 系 统采 用 单个 偏 振 相 关 ＭＩ Ｄ 光 栅 设计 ， 其合成 子 束激 光需 要采 用保 偏设 计 ， 且 子束线 宽 需要 控制 到小 于 １ ０ ＧＨｚ ， 因此大 大增 加 了高功 率合 成 子束激 光 的研 制难 度 。 本 研究 采 用 了双 ＭＬ Ｄ光 栅 色散 补 偿设 计 的技 术 方 案 ， 其 原 理 示 意 图如 图 １ 所 示 。搭建 的 ５ ｋ ｗ 光谱 合 成 实验 系统 ， 主要 由 ５ 路ｋ ｗ 级 全光 纤结 构 的 高功 率 窄 谱 子 束 光 纤 激 光 器 和 双 光栅
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光纤激光器光谱合成
首先，光纤激光器是一种基于光纤的激光发射器件，具有高功率、高光束质量和较窄的光谱宽度等优点。
光纤激光器可以通过控制激光器内部的光放大介质和光腔结构，实现对输出光谱的调控和合成。
光纤激光器光谱合成的关键技术是频率转换和波长选择。
频率转换是指将激光器的输出频率转换到目标频率范围内，常用的方法包括倍频、混频、光学参量振荡器等。
波长选择是指从频率转换后的光信号中选择特定波长的光进行输出，常用的方法包括光栅、滤波器、光纤布拉格光栅等。
光纤激光器光谱合成的应用非常广泛。
在光通信领域，光纤激光器光谱合成可以用于多波长光纤通信系统，实现高容量和高速率的光传输。
在光谱分析领域，光纤激光器光谱合成可以用于光谱成像、光谱测量和光谱检测等应用，提供更丰富的光谱信息。
在光学成像领域，光纤激光器光谱合成可以用于多光谱成像和超分辨率成像等，提高成像的分辨率和信息获取能力。
总结起来，光纤激光器光谱合成是通过光纤激光器的频率转换
和波长选择技术，实现特定波长范围内的光谱输出。
这种技术在光通信、光谱分析、光学成像等领域具有重要应用，为相关领域的研究和应用提供了强大的工具和手段。