[發明專利]大功率光纖激光全光纖結構相干合成及高亮度光束控制方法

有效

• 申請號: 201210131953.2
• 申請日: 2012-05-02
• 公開（公告）號: CN102646916A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 許曉軍;趙海川;李杰;王曉林;周樸;馬閻星;寧禹;陳子倫;粟榮濤;熊玉鵬
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/10;G02B27/09
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

技術領域

本發明屬于光纖激光器技術領域，特指一種能實現全光纖結構光纖激光高亮度輸出的新方法。本方法提出了大功率光纖激光相干合成的新結構，使用主動相位控制及自適應光學技術對大功率光纖激光進行光束控制，能實現全光纖結構的高亮度光纖激光輸出。

背景技術

光纖激光器具有轉換效率高、光束質量好、熱管理方便、結構緊湊等優點，近年來發展迅速。與傳統的固體和化學激光器相比，光纖激光器結構簡單，具有易于制造和維護等優勢，使其在遠程焊接、三維切割等工業領域得到了廣泛的應用，并在國防軍事領域也有著良好的應用潛力。

雖然光纖激光器作為新一代高能激光光源已經得到廣泛應用，但是受到摻雜光纖熱損傷、非線性效應等物理機制的限制，單模光纖激光器的輸出功率有限。根據理論分析，光纖的損傷閾值、各種非線性效應閾值均與光纖的模場面積成正比，而單模光纖纖芯直徑?。ㄒ话銌文９饫w纖芯直徑小于6um），導致其損傷閾值和非線性效應閾值低，難以實現高功率輸出。為實現更高的亮度輸出，一種重要的技術途徑是采用激光器相干合成的方法。即激光器采用多模塊結構，控制各單元(孔徑)激光器輸出光束的相位達到鎖相輸出，實現光束的相干合成。一方面，在保持光束質量的同時提高了輸出光束的功率，實現了亮度的提高；另一方面，模塊化的結構分散了熱效應，有利于克服“熱”造成的高能激光平均亮度下降。基于相干合成的高能激光系統同時解決了亮度和熱管理兩個難題，已經成為高能激光系統發展的重要方向。相干合成光纖激光陣列構成的高能激光系統與傳統單孔徑高能光纖激光系統相比，在系統成本、熱管理以及光束控制等方面具備明顯優勢，近年來國際上掀起了光纖激光相干合成技術研究的熱潮。

傳統的相干合成技術其子孔徑采用空間拼接，因此最終的亮度受占空比等因素制約。特別是在高功率，多路數的條件下，如何有效提高子孔徑間的占空比是傳統的相干合成進一步發展必須克服的問題。此外由于空間結構帶來的光路調節困難直接影響相干合成的可擴展性及系統的穩定性。

全光纖結構能有效解決空間結構引起的系統不穩定等問題，但全光纖結構一般用于非相干合成。目前，美國IPG光子技術公司采用全光纖結構實現了50kW的多模激光輸出，由于是非相干合成即僅僅是單純的功率合成，不能提高輸出激光的光束質量，且輸出端采用多模光纖，因此該激光器光束質量較差。據報導其30kW連續波輸出時，光束質量約為????????????????????????????????????????????????，大于10倍衍射極限，50kW連續波輸出時，光束質量大于20倍衍射極限；隨著合成路數的增加，光束質量還將退化，不能實現高亮度輸出。

光束凈化被認為是一種提高激光光束質量的有效手段已經廣泛應用于固體/氣體激光器領域。光束凈化的概念最早由美國休斯實驗室的奧麥拉于1969年提出。該實驗室將多元高頻振動法即多抖動法用于激光發射并對此開展了近十年的研究。目前光束凈化主要有兩種方案，一種是基于波前傳感的傳統自適應光學方案即波前共軛式，一種是基于優化算法的優化自適應光學方案即優化式。從控制方法的角度看：波前共軛式，先用波前傳感器測量波前畸變獲得相位畸變分布，然后根據相位共軛原理通過控制波前變形元件產生共軛相位以補償相位畸變；而優化式則是將存在波前畸變的光學系統作為一個待優化的控制系統，應用最優控制理論控制波前變形元件，使得反映系統性能的評價函數達到唯一極值，以達到消除系統波前畸變的目的。與波前共軛式相比，優化式技術結構緊湊，不需要復雜的波前探測和波前重構、計算量小，可以不受閃爍效應等畸變條件的限制，更適合應用于高功率激光條件下。特別是隨著以隨機并行梯度下降算法(stochastic?parallel?gradient?descent,?SPGD)為代表的高速算法的出現，極大加快了系統的迭代速度，使得基于優化算法的自適應系統具有校正快速波前畸變的能力，拓展了應用范圍。

光束凈化只能作用于相干光源，對于功率合成即非相干合成，由于多路光束相位的高速隨機變化，無法進行光束凈化控制，不能提高其激光亮度。我們發現，采用主動相位控制，能夠實現主振蕩器功率放大（Master?Oscillator?Power?Amplifier,?MOPA）結構合成的多模光纖輸出光的相位鎖定，得到穩定的高階模輸出。此時，輸出激光具有相干性，因此可以用光束凈化系統對其進行控制，提高光束質量，實現高亮度的光纖激光輸出。全光纖結構相干合成及將相干合成光束進行光束凈化，在本發明之前從未有相關報道。

發明內容