摻鐿光纖放大器的相干合成實驗研究 - 圖文-

1、 纖激光器的輸出功率要比半導體激光器低得多。所以如何提高光纖激光器的輸出功率就成了目前研究的一個重要課題。而光束合成技術作為一種可以提高光 纖激光器輸出功率的重要途徑也便成了光電子技術領域的研究熱點。 從合成的原理上講,光束合成可分為非相干合成和相干合成兩種。光纖激光器的非相干合成就是簡單的將多路光纖激光通過一些光學元件組合為一束,由 于各路光纖激光之間沒有相位上的關系,所以得到的合成光束是非相干的。這種合成技術雖然可以使總的激光功率提高,但光束質量相對于單個光纖激光來說 卻下降了很多；而光纖激光器的相干合成是在精確控制各路激光相位的基礎上對光束的一種相干合成,各路光纖激光間有嚴格的相位上的關

2、系,得到的合成光 束是相干的。因此可以在得到高功率輸出光束的同時保證輸出激光的光束質量,并且具有光束的光譜、相位、偏振等特性可控的優(yōu)點。從理論上來講,對N束功 率相同的激光進行非相干疊加,則目標上的光強增加至N倍；而如果進行相干合成,則目標上光場的振幅增至N倍,光強增至N2倍,更具有優(yōu)勢。因此光纖激光器 的相干合成技術引起了國內外學術界和產業(yè)界的廣泛關注。而對于自組織型光纖激光器相干合成原理的研究有助于更好地研究光纖激光器的相干合成技術,以 便將其用于提高光纖激光器的輸出功率,這將具有非常重要的意義。 本文采用數(shù)值模擬分析的方法著重研究光纖激光器陣列的泵浦功率、耦合長度、增益等參數(shù)對同步現(xiàn)象的

3、影響。并根據研究結果,對光纖激光器陣列的輸 出光強進行優(yōu)化。主要內容包括： 1. 介紹光纖激光器相干合成技術的基本概念、應用,全光纖激光相干合成的分類、發(fā)展以及最新階段的研究成果。 2.較全面的介紹了利用多腔諧振腔理論和環(huán)形場理論來推導光纖激光器陣列的光譜響應函數(shù)的推導過程,較為深入的介紹了光纖的耦合模理論。并給出分 析光纖激光器陣列動態(tài)特性的理論基礎。 3.利用非線性耦合迭代法,微擾理論和線性變換方法,對光纖激光器陣列的動態(tài)效應進行了深入的分析,討論了光纖激光器陣列的閾值以及脈沖輸出條件隨 泵浦功率的變化關系。通過對公式的推導重點闡述了光纖激光器陣列在常增益系數(shù)條件下的穩(wěn)定性隨耦合器的長度,

4、陣列數(shù)的變化關系,并解釋了對應的物理 含義。 8.期刊論文 肖瑞.侯靜.姜宗福.Xiao Rui.Hou Jing.Jiang Zong-Fu 光纖放大器陣列的遠場特性研究 -物理學報 2007,56(8 從光纖激光器陣列相干合成遠場光強分布的解析表達式出發(fā),詳細研究了陣列占空比、陣元個數(shù)以及陣元的相位誤差對相干合成遠場圖樣分布、中心主瓣 的角寬度及所占能量的影響.給出了占空比為12.5%時,三路保偏光纖放大器相干合成的實驗結果. 9.學位論文 肖瑞 主振蕩功率放大器方案光纖激光相干合成技術 2007 光纖激光相干合成技術是實現(xiàn)高功率高亮度光纖激光系統(tǒng)的重要技術途徑。論文采用主振蕩功率放大器(

5、MOPA方案，全面系統(tǒng)的對光纖放大器陣列的相 干合成技術進行了理論和實驗研究。 本文運用夫瑯禾費衍射理論，得到了光纖放大器陣列相干合成遠場光強分布的理論模型，分別討論了相干合成激光器數(shù)目、陣列占空比、相位、激光器 間的部分相干性以及偏振對相干合成遠場光強分布的影響；對光纖放大器的相位噪聲進行了理論研究，分析了光纖放大器相位噪聲的產生機理，為控制電路 的設計提供理論指導；相位控制電路是整個鎖相系統(tǒng)中最為關鍵的部分之一，它直接決定著相干合成的成敗與否，論文根據外差探測的工作原理，設計了高 頻相位檢測與控制電路，外差探測的移頻量為40 MHz，相位校正精度優(yōu)于20，控制帶寬大于10 KHz：論文對影

6、響控制精度，控制帶寬等性能指標的因素 進行了分析，為控制電路的進一步優(yōu)化和改進奠定了基礎。 本文對MOPA方案光纖激光相干合成技術進行了深入的實驗研究。首先用自主研制的相位檢測與控制電路對輸出功率為1W的光纖放大器的相位噪聲進行了 實驗研究和測量，功率為1W的光纖放大器的相位噪聲的頻率小于1KHz；然后采用兩種相位控制方法實現(xiàn)了MOPA方案原型系統(tǒng)： 1爬山法。借鑒自適應光學中相位控制理論，提出用爬山法對MOPA方案中摻鐿光纖放大器進行相位探測與校正。通過自動尋優(yōu)的方式不斷改變相位調制 器的控制電壓，使系統(tǒng)輸出保持在干涉最強處，爬山法系統(tǒng)的控制精度為10。實驗實現(xiàn)了兩路摻鐿光纖放大器的相干合成

7、。 2外差法。外差法通過探測信號光和受調制的參考光的干涉信號的變化實現(xiàn)對信號光相位變化的測量，通過實時探測和校正光路中相位的變化，確保輸 出光束的相位一致。首次在國內用外差法實現(xiàn)了三路摻鐿光纖放大器的相干合成輸出，其中每路光纖放大器的輸出功率1W，三路總功率3W。系統(tǒng)開環(huán)時 ，遠場光斑為動態(tài)、模糊的干涉條紋，條紋可見度為6；系統(tǒng)閉環(huán)運行時，遠場光斑為穩(wěn)定、高對比度的干涉條紋，條紋可見度有大幅度提高，達到53。 這表明閉環(huán)控制使三路光纖激光的相位變化得到了有效補償，系統(tǒng)實現(xiàn)了相位鎖定運行和高相干度合成輸出。 用外差法對主振蕩功率放大器方案實現(xiàn)相位探測與校正時，對每路信號的相位控制都是獨立進行的，

8、每一路的相位變化都是相對參考信號而言的，系統(tǒng) 多路擴展性強，可實現(xiàn)大功率相干合成輸出。同時，論文的主振蕩功率放大器方案可適用于固體激光器以及其它激光器的相干合成。 論文的工作為實現(xiàn)高功率激光器陣列的相干合成方案打下了理論和實驗基礎，具有重要的參考價值和應用實踐意義。 10.期刊論文 侯靜.肖瑞.劉澤金.姜宗福.HOU Jing.XIAO Rui.LIU Ze-jin.JIANG Zong-Fu 兩種方法實現(xiàn)對摻鐿光纖放 大器的相位校正 -強激光與粒子束2006,18(11 在光纖激光器陣列的相干合成技術中,主振蕩并聯(lián)放大器(MOPA方案最關鍵的技術是對光纖放大器進行相位控制與校正.本文用兩種方

9、法分別對摻鐿光纖 放大器進行了相位控制與校正.一種是爬山法,通過自動尋優(yōu)的方式不斷改變相位調制器控制電壓,使系統(tǒng)輸出保持在干涉最強處;另一種是外差法,通過實時探 測和校正光路中相位的變化,確保輸出光束的相位一致.實驗系統(tǒng)中主振蕩激光器的波長為1 083 nm,輸出功率0100 mW連續(xù)可調.光纖相位調制器是鈮酸鋰相 位調制器.光纖放大器輸出功率01 W連續(xù)可調,整個光路為全保偏光路.爬山法系統(tǒng)的工作頻率為100 kHz,控制精度為/10;外差法系統(tǒng)的移頻量為40 MHz,精度優(yōu)于/20.在兩類閉環(huán)控制過程中,鈮酸鋰相位控制器都很好地實現(xiàn)了光纖放大器的相位校正.該工作為實現(xiàn)光纖激光器陣列的相干合

10、成打下實驗基 礎. 引證文獻(16條 1.周樸.馬閻星.王小林.馬浩統(tǒng).許曉軍.劉澤金 模擬退火算法光纖放大器相干合成期刊論文-強激光與粒子束 2010(5 2.任愛紅.張蓉竹.孫年春 偏振方向對陣列光束遠場能量分布的影響期刊論文-強激光與粒子束 2010(7 3.耿鵬程.侯藍田.韓偉濤.龐輝 七芯光子晶體光纖耦合特性的研究期刊論文-燕山大學學報 2010(4 4.馬閻星.王小林.周樸.馬浩統(tǒng).趙海川.許曉軍.司磊.劉澤金.趙伊君 光纖激光器陣列的多抖動法相干合成期刊論文 -強激光與粒子束 2010(12 5.周樸.劉澤金.許曉軍 湍流對相干合成與非相干合成遠場光束質量的影響期刊論文-中國激光

11、 2009(5 6.馬閻星.司磊.周樸.王小林.馬浩統(tǒng).李霄.許曉軍.劉澤金 多抖動法主振蕩功率放大器相干合成技術期刊論文-強激 光與粒子束 2009(11 7.周樸.王小林.馬閻星.冷進勇.馬浩統(tǒng).王建華.許曉軍.劉澤金 強泵浦條件下光纖放大器相位噪聲的測量期刊論文強激光與粒子束 2009(11 8.史曉剛.竇汝海.荊帥.陳建國 相干合成系統(tǒng)的抖動對遠場的影響期刊論文-激光技術 2009(5 9.于益.王衛(wèi)民.魯燕華.謝剛.彭躍峰.劉東 二極管激光光柵-外腔光譜合成技術模擬研究期刊論文-強激光與粒子束 2008(2 10.范馨燕.劉京郊.王濤濤.劉金生.武敬力 主動鎖相光纖放大器相干合成技術研究進展期刊論文-半導體光電 2008(4 11.劉澤金.周樸.許曉軍 高能光纖激光系統(tǒng)淺析期刊論文-強激光與粒子束 2008(11 12.閆愛民.劉立人.劉德安.周煜.職亞楠.魯偉 光纖激光陣列鎖相和孔徑裝填技術研究進展期刊論文-激光與光電子 學進展 2008(8 13.周樸.侯靜.陳子倫.劉澤金 光纖激光器自組織相干陣列的理論分析期刊論文-強激光與粒子束 2007(5 14.周樸.侯靜.陳子倫.劉澤金 高功率光纖激光的時間部分相干性對相干合成的影響期刊論文-強激光與粒子束 2007(8 15.陳子倫.侯靜.周樸.姜宗福 光